CN103308124B - 一种光纤光栅水土界面传感探头的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤光栅水土界面传感探头的标定装置和标定方法，标定装置包括水压力标定装置和水土压力标定装置，水压力标定装置包括第一透明水箱、第一标尺、第一传感探头和支座，第一透明水箱具有U形结构，其底部设置第一孔洞，第一标尺竖直设置在第一透明水箱的一侧内壁上，第一传感探头嵌入第一透明水箱底部的第一孔洞内，支座架设在第一透明水箱底部外端的两侧；而水土压力标定装置则包括第二透明水箱、第二标尺、第二传感探头和隔板，第二透明水箱具有U形结构，第二标尺竖直设置在第二透明水箱的一侧内壁上，隔板竖直设置在第二透明水箱的内部，且隔板上还设置有第二孔洞，第二传感探头嵌入第二孔洞内。本发明结构简单、能够精确标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利工程监测装置，尤其是涉及一种光纤光栅水土界面传感探头的标定装置及其标定方法。
背景技术
传感探头的标定，就是利用一种标准装置，产生已知的非电量（如标准力、位移等）作为输入量输入至待标定的传感探头中，得到传感器的输出量，然后将传感器的输入量与输出量建立关系。工程测试中传感探头的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行，以获得较高的精度。
本发明所述的光纤光栅水土界面传感探头，其工作原理是测量水下某深度位置的侧向土压力，进而判断该深度位置是在水体或土体中。若能测量得到土体中若干个不同深度位置的侧向土压力，就可以拟合计算出侧向土压力为零的深度位置，即为泥面深度。
而目前基于光纤光栅冲淤相关的传感探头，是通过相同位置贴电阻应变片，在相同荷载作用下，记录传感探头光纤光栅中心波长值和电阻应变片的测量值，做出传感探头光纤光栅中心波长与应变之间的关系。这样的标定方法，容易受到电阻应变片自身的误差影响，且只能做出传感探头光纤光栅中心波长与应变之间的理论关系，不能模拟实际冲淤环境下传感探头。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种标定装置及标定方法，以能够准确、简便地标定具体工作环境下的光纤光栅水土界面传感探头。
为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：
一种光纤光栅水土界面传感探头的标定装置，其特征在于，包括水压力标定装置和水土压力标定装置，其中，
所述的水压力标定装置包括第一透明水箱、第一标尺、第一传感探头和支座，所述的第一透明水箱具有U形结构，其底部中间设置有第一孔洞，所述的第一标尺竖直设置在第一透明水箱的一侧内壁上，而所述的第一传感探头则嵌入所述的第一透明水箱底部的第一孔洞内，所述的支座架设在第一透明水箱底部外端的两侧；
而所述的水土压力标定装置则包括第二透明水箱、第二标尺、第二传感探头和隔板，所述的第二透明水箱具有U形结构，第二标尺竖直设置在第二透明水箱的一侧内壁上，而所述的隔板则竖直设置在第二透明水箱的内部，使得第二水箱内部形成大仓和小仓，所述的大仓的容积大于小仓的容积，而隔板上还设置有第二孔洞，所述的第二传感探头嵌入在第二孔洞内。
进一步，所述的隔板的高度小于第二透明水箱的高度。
一种光纤光栅水土界面传感探头的标定方法，其特征在于，包括传感探头压力标定试验、抗静水压力干扰标定试验、冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和淤积环境传感探头埋深测量标定试验，且所述的冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验，而所述的淤积环境传感探头埋深测量标定试验则包括标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验。
其中，所述的传感探头压力标定试验包括以下步骤：
（a-1）安装水压力标定装置；
（a-2）逐级向第一透明水箱中注水；
（a-3）记录水位高度和第一传感探头光纤光栅中心波长值，以水位高度为X轴，以第一传感探头光纤光栅中心波长为Y轴，所述的水位高度即为水压力；
（a-4）拟合标定出该第一传感探头对水压力的敏感系数，并检验相似度。
所述的抗静水压力干扰标定试验包括以下步骤：
（b-1）安装水土压力标定装置；
（b-2）在大仓内填埋标准砂，填埋高度超过第二传感探头的高度20cm；
（b-3）分别向大仓和小仓内缓慢注水，注水过程中保持大仓和小仓水位相同；
（b-4）待水位超过隔板的高度、大仓和小仓水体保持连通后，逐级向第二透明水箱内注水，并记录水位高度和第二传感探头的光纤光栅中心波长，注水至满溢后，再逐级降水，反复循环该过程；
（b-5）以水位高度为X轴，以第二传感探头的光纤光栅中心波长为Y轴，绘制一条曲线，再以第二传感探头的光纤光栅中心波长的平均值绘制一条水平直线作为参考线，所述的曲线和参考线重合度越高，为抗干扰性越好。
所述的标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c1-1）安装水土压力标定装置；
（c1-2）将标准砂与水混合，搅拌均匀后倒入第二透明水箱的大仓中；
（c1-3）分别向大仓和小仓内缓缓注水，并保持注水过程中大仓和小仓水位一致，直至满溢；
（c1-4）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体的表面，同时往第二透明水箱中注水以保持第二透明水箱的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头顶面高度的差值；
（c1-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条传感探头读数-埋深的标定曲线。
所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c2-1）安装水土压力标定装置；
（c2-2）低渗透性土与水混合后经搅拌机搅拌成密度为1.2~1.5 g/cm3的泥浆，倒入第二透明水箱的大仓中；
（c2-3）在泥浆表面依次覆盖等面积的土工布和透水石；
（c2-4）在透水石上堆载砝码排水直至土体固结，所述的砝码的荷载取决于冲刷地点的前期固结压力；
（c2-5）卸下砝码并去除透水石和土工布；
（c2-6）分别往大仓和小仓中缓缓注水，并注水过程中保持大仓和小仓的水位一致，直至满溢；
（c2-7）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体的表面，同时向第二透明水箱中注水以保持第二透明水箱的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头顶面高度的差值；
（c2-8）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d1-1）安装水土压力标定装置；
（d1-2）将第二透明水箱内注满水；
（d1-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下向第二透明水箱内逐级均匀填埋标准砂；
（d1-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱内的第二标尺的刻度，获得第二传感探头的埋深，再记录第二传感探头的读数；
（d1-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
而所述的低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d2-1）安装水土压力标定装置；
（d2-2）将第二透明水箱内注满水；
（d2-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下，向第二透明水箱内逐级均匀填埋低渗透性土；
（d2-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱内的第二标尺刻度，获得第二传感探头的埋深，再记录第二传感探头的读数；
（d2-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
本发明的有益效果是：本发明所述的标定装置结构简单、材料易得，而采用本发明所述的标定方法后，本发明能够精确标定光纤光栅水土界面传感探头的传感特性，并模拟0～1.5m的埋深情况下土体侧向土压力（传感探头读数）与传感探头埋深之间对应的标定关系，为光纤光栅水土界面传感探头的实际应用提供可靠的理论基础和数据参考。
附图说明
图 1 为本发明所述的水压力标定装置结构示意图；
图 2 为本发明所述的水土压力标定装置结构示意图；
图 3 为本发明所述的传感探头压力标定试验示意图；
图 4 为本发明所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验和标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验示意图；
图 5 为本发明所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验示意图。
图中主要附图标记含义为：
1、第一透明水箱 2、第一标尺3、第一传感探头 4、支座
1'、第一透明水箱 2'、第一标尺 3'、第一传感探头 5、隔板
11、大仓 12、小仓 6、水 7、土体
8、土工布 9、透水石 10、砝码。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行具体的介绍。
图 1 为本发明所述的水压力标定装置结构示意图；图 2 为本发明所述的水土压力标定装置结构示意图。
如图1和图2所示：一种光纤光栅水土界面传感探头的标定装置，包括水压力标定装置和水土压力标定装置，其中，
所述的水压力标定装置包括第一透明水箱1、第一标尺2、第一传感探头3和支座4，所述的第一透明水箱2具有U形结构，其底部中间设置有第一孔洞，所述的第一标尺2竖直设置在第一透明水箱1的一侧内壁上，而所述的第一传感探头3则嵌入所述的第一透明水箱1底部的第一孔洞内，所述的支座4架设在第一透明水箱1底部外端的两侧；
而所述的水土压力标定装置则包括第二透明水箱1'、第二标尺2'、第二传感探头3'和隔板5，所述的第二透明水箱1'具有U形结构，第二标尺2'竖直设置在第二透明水箱1'的一侧内壁上，而所述的隔板5则竖直设置在第二透明水箱1'的内部，且隔板5的高度小于第二透明水箱1'的高度，使得第二水箱1'内部形成大仓11和小仓12，所述的大仓11的容积大于小仓12的容积，而隔板5上还设置有第二孔洞，所述的第二传感探头3'嵌入在第二孔洞内。
一种光纤光栅水土界面传感探头的标定方法，包括传感探头压力标定试验、抗静水压力干扰标定试验、冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和淤积环境传感探头埋深测量标定试验，且所述的冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验，而所述的淤积环境传感探头埋深测量标定试验则包括标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验。
图 3 为本发明所述的传感探头压力标定试验示意图。
如图3所示：所述的传感探头压力标定试验包括以下步骤：
（a-1）安装水压力标定装置；
（a-2）逐级向第一透明水箱1中注水；
（a-3）记录水位高度和第一传感探头光纤光栅中心波长值，以水位高度为X轴，以第一传感探头光纤光栅中心波长为Y轴，所述的水位高度即为水压力；
（a-4）拟合标定出该第一传感探头3对水压力的敏感系数，并检验相似度。
基于本发明所述的传感探头压力标定试验，一组试验数据如表1所示：
表1：
表：
由上述试验数据可得该传感探头对水压力的敏感系数为0.102 nm/kPa，相似度R2 =0.999，相似度良好。
而所述的抗静水压力干扰标定试验包括以下步骤：
（b-1）安装水土压力标定装置；
（b-2）在大仓11内填埋标准砂（所述的标准砂为土体7的一种），填埋高度超过第二传感探头3'的高度20cm；
（b-3）分别向大仓11和小仓12内缓慢注水6，注水过程中保持大仓11和小仓12水位相同；
（b-4）待水位超过隔板5的高度、大仓11和小仓12水体保持连通后，逐级向第二透明水箱1'内注水6，并记录水位高度和第二传感探头的光纤光栅中心波长，注水至满溢后，再逐级降水，反复循环该过程；
（b-5）以水位高度为X轴，以第二传感探头的光纤光栅中心波长为Y轴，绘制一条曲线，再以第二传感探头的光纤光栅中心波长的平均值绘制一条水平直线作为参考线，所述的曲线和参考线重合度越高，为抗干扰性越好。
基于本发明所述的抗静水压力干扰标定试验，一组试验数据如表2所示：
表2：
由上述试验数据可得该试验的光纤光栅中心波长的平均值为1550.123nm，曲线与参考线重合度很高，表明该传感探头抗干扰性好。
图 4 为本发明所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验和标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验示意图。
如图4所示：所述的标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c1-1）安装水土压力标定装置；
（c1-2）将标准砂（所述的标准砂为土体7的一种）与水混合，搅拌均匀后倒入第二透明水箱1'的大仓11中；
（c1-3）分别向大仓11和小仓12内缓缓注水6，并保持注水过程中大仓11和小仓12水位一致，直至满溢；
（c1-4）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体7的表面，同时往第二透明水箱1'中注水6以保持第二透明水箱1'的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头3'的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头3'顶面高度的差值；
（c1-5）以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出一条传感探头读数-埋深的标定曲线。
基于本发明所述的标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验，一组试验数据如表3所示：
表3：
。
由上述试验数据可以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出的传感探头读数-埋深的标定曲线为y=0.006x+1550.024。
图 5 为本发明所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验示意图。
如图5所示：所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c2-1）安装水土压力标定装置；
（c2-2）低渗透性土（土体7的其中一种）与水混合后经搅拌机搅拌成密度为1.2~1.5g/cm3的泥浆，倒入第二透明水箱3'的大仓11中；
（c2-3）在泥浆表面依次覆盖等面积的土工布8和透水石9；
（c2-4）在透水石9上堆载砝码10排水直至土体7固结，所述的砝码10的荷载取决于冲刷地点的前期固结压力；
（c2-5）卸下砝码10并去除透水石9和土工布8；
（c2-6）分别往大仓11和小仓12中缓缓注水6，并注水过程中保持大仓11和小仓12的水位一致，直至满溢；
（c2-7）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体7的表面，同时向第二透明水箱1'中注水6以保持第二透明水箱1'的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头3'的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头顶面高度的差值；
（c2-8）以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。（
基于本发明所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验，一组试验数据如表4所示：
表4：
。
由上述试验数据可以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出的第二传感探头读数—埋深的标定曲线为y=0.006+1550.029。
再如图4所示：所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d1-1）安装水土压力标定装置；
（d1-2）将第二透明水箱1'内注满水6；
（d1-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下向第二透明水箱1'内逐级均匀填埋标准砂（土体7的其中一种）；
（d1-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱1'内的第二标尺2'的刻度，获得第二传感探头3'的埋深，再记录第二传感探头3'的读数；
（d1-5）以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
基于本发明所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验，一组试验数据如表5所示：
表5：
。
由上述试验数据可以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出的第二传感探头读数—埋深的标定曲线为y=0.006+1550.025。而所述的低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d2-1）安装水土压力标定装置；
（d2-2）将第二透明水箱1'内注满水6；
（d2-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下，向第二透明水箱1'内逐级均匀填埋低渗透性土（土体7的其中一种）；
（d2-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱1'内的第二标尺2'刻度，获得第二传感探头3'的埋深，再记录第二传感探头3'的读数；
（d2-5）以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
基于本发明所述的低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验，一组试验数据如表6所示：
表6：
。
由上述试验数据可以第二传感探头3'的埋深为X轴，以第二传感探头3'的读数为Y轴，拟合出的第二传感探头读数—埋深的标定曲线为y=0.006+1550.022。
根据本发明的光纤光栅水土界面传感探头的标定方法，可以确定传感探头的各项性能指标以及各种冲淤环境下传感探头监测稳定性，为传感探头精确稳定监测奠定基础。
本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种光纤光栅水土界面传感探头的标定方法，其特征在于，包括传感探头压力标定试验、抗静水压力干扰标定试验、冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和淤积环境传感探头埋深测量标定试验，且所述的冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验，而所述的淤积环境传感探头埋深测量标定试验则包括标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验和低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验，
水压力标定装置包括第一透明水箱、第一标尺、第一传感探头和支座，所述的第一透明水箱具有U形结构，其底部中间设置有第一孔洞，所述的第一标尺竖直设置在第一透明水箱的一侧内壁上，而所述的第一传感探头则嵌入所述的第一透明水箱底部的第一孔洞内，所述的支座架设在第一透明水箱底部外端的两侧；
而水土压力标定装置则包括第二透明水箱、第二标尺、第二传感探头和隔板，所述的第二透明水箱具有U形结构，第二标尺竖直设置在第二透明水箱的一侧内壁上，而所述的隔板则竖直设置在第二透明水箱的内部，使得第二水箱内部形成大仓和小仓，所述的大仓的容积大于小仓的容积，而隔板上还设置有第二孔洞，所述的第二传感探头嵌入在第二孔洞内，
所述的传感探头压力标定试验包括以下步骤：
（a-1）安装水压力标定装置；
（a-2）逐级向第一透明水箱中注水；
（a-3）记录水位高度和第一传感探头光纤光栅中心波长值，以水位高度为X轴，以第一传感探头光纤光栅中心波长为Y轴，所述的水位高度即表征水压力；
（a-4）拟合标定出该第一传感探头对水压力的敏感系数，并检验相似度；
所述的抗静水压力干扰标定试验包括以下步骤：
（b-1）安装水土压力标定装置；
（b-2）在大仓内填埋标准砂，填埋高度超过第二传感探头的高度20cm；
（b-3）分别向大仓和小仓内缓慢注水，注水过程中保持大仓和小仓水位相同；
（b-4）待水位超过隔板的高度、大仓和小仓水体保持连通后，逐级向第二透明水箱内注水，并记录水位高度和第二传感探头的光纤光栅中心波长，注水至满溢后，再逐级降水，反复循环该过程；
（b-5）以水位高度为X轴，以第二传感探头的光纤光栅中心波长为Y轴，绘制一条曲线，再以第二传感探头的光纤光栅中心波长的平均值绘制一条水平直线作为参考线，所述的曲线和参考线重合度越高，为抗干扰性越好；
所述的标准砂冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c1-1）安装水土压力标定装置；
（c1-2）将标准砂与水混合，搅拌均匀后倒入第二透明水箱的大仓中；
（c1-3）分别向大仓和小仓内缓缓注水，并保持注水过程中大仓和小仓水位一致，直至满溢；
（c1-4）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体的表面，同时往第二透明水箱中注水以保持第二透明水箱的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头顶面高度的差值；
（c1-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条传感探头读数-埋深的标定曲线；
所述的低渗透性土冲刷环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（c2-1）安装水土压力标定装置；
（c2-2）低渗透性土与水混合后经搅拌机搅拌成密度为1.2~1.5g/cm3的泥浆，倒入第二透明水箱的大仓中；
（c2-3）在泥浆表面依次覆盖等面积的土工布和透水石；
（c2-4）在透水石上堆载砝码排水直至土体固结，所述的砝码的荷载取决于冲刷地点的前期固结压力；
（c2-5）卸下砝码并去除透水石和土工布；
（c2-6）分别往大仓和小仓中缓缓注水，并注水过程中保持大仓和小仓的水位一致，直至满溢；
（c2-7）用功率为2000 ~5000瓦的抽水泵均匀抽吸土体的表面，同时向第二透明水箱中注水以保持第二透明水箱的水位不变，按埋深分级，逐级抽吸并记录第二传感探头的读数，所述的埋深为土体残余高度与第二传感探头顶面高度的差值；
（c2-8）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线；
所述的标准砂淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d1-1）安装水土压力标定装置；
（d1-2）将第二透明水箱内注满水；
（d1-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下向第二透明水箱内逐级均匀填埋标准砂；
（d1-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱内的第二标尺的刻度，获得第二传感探头的埋深，再记录第二传感探头的读数；
（d1-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线；
所述的低渗透性土淤积环境传感探头埋深测量标定试验包括以下步骤：
（d2-1）安装水土压力标定装置；
（d2-2）将第二透明水箱内注满水；
（d2-3）在允许水溢出且保持静水压力不变的情况下，向第二透明水箱内逐级均匀填埋低渗透性土；
（d2-4）在每一级填埋稳定后，读取第二透明水箱内的第二标尺刻度，获得第二传感探头的埋深，再记录第二传感探头的读数；
（d2-5）以第二传感探头的埋深为X轴，以第二传感探头的读数为Y轴，拟合出一条第二传感探头读数—埋深的标定曲线。
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| CN201310216041.XA CN103308124B (zh) | 2013-06-03 | 2013-06-03 | 一种光纤光栅水土界面传感探头的标定方法 |
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