CN103822609A - 一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪 - Google Patents

Abstract

一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，包括下套筒和下段插入下套筒的上套筒；在上套筒底部端面通过螺栓封盖有环状膜片；在环状膜片上连接有压簧，压簧上端连接有与上套筒顶端平齐的承压板；在环状膜片底部固定有传压杆，传压杆底端与设置在下套筒内的等强度悬臂梁接触，该等强度悬臂梁的固定端与下套筒的壳体连接，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅通过下套筒下段开设的光纤引出孔与外接光纤跳线相连接；在下套筒底端设有底盖板通过螺栓封盖下套筒底端。本发明具有量程范围适应性强、沉降仪标定简单的显著优点。

Description

一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪

技术领域

本发明涉及一种测量地基沉降量的光纤Bragg光栅沉降仪，属于光电子测量技术领域。 

背景技术

地基沉降又称地面下陷或地陷，是指在一定的地表面积发生的地面水平面降低的现象。建筑物的荷载，土的湿陷或胀缩，冻胀或融化，地下水的升降，施工影响，震动等都影响着软土地基的沉降。地基沉降将导致建筑物和生产设施的毁坏，因此，为保证工程的安全运行，监督施工质量和预防工程事故，需对高层建筑等进行沉降监测。电磁式自动化沉降仪以其施工简单、成本低、操作方便等特点适用于土石坝的分层沉降量的监测，其测量精度较高，速度较快。但受外界环境因素的影响，百米长的沉降测尺经常出现信号线断裂或进水短路的现象，导致自动化沉降仪无法正常测量。（张阿峰“电磁式自动化沉降仪测尺的改进技术”《水利发电》，2012年2月刊，第38卷第2期）。 

本文提出一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，该沉降仪采用双套管、压簧、环状膜片、传压杆、等强度悬臂梁、光纤Bragg光栅相结合的方式来测量大坝、公路、建筑的沉降。 

发明内容

本发明的目的是提供一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，实现对沉降量的实时在线监测，抗干扰性强，准确度高。 

实现本发明的上述目的所采取的技术方案是： 

一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，本发明特征是：包括下套筒和下段插入下套筒的上套筒；在上套筒底部端面通过螺栓A封盖有环状膜片；在环状膜片上连接有压簧，压簧上端连接有与上套筒顶端平齐的承压板；在环状膜片底部固定有传压杆，传压杆底端与设置在下套筒内的等强度悬臂梁接触，该等强度悬臂梁的固定端与下套筒的壳体连接，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅通过下套筒下段开设的光纤引出孔与外接光纤跳线相连接；在下套筒底端设有底盖板通过螺栓B封盖下套筒底端。 

本发明可上下移动的承压板因地质沉降产生向下产生位移，进而使压簧发生压缩形变，压簧因而将压缩的反作用力施加在处于上套筒和下套筒之间的环状膜片上，环状膜片通过传压杆将扰度传递给位于下套筒中的等强度悬臂梁的自由端，最终导致粘贴在等强度悬臂梁上表面中心轴线上的光纤Bragg光栅波长移位，通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量可以实现对地质沉降量进行实时监测。 

双套管光纤Bragg光栅沉降仪的外接光纤跳线与光纤解调仪的通道接口连接，利用解调仪可得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，然后将沉降量的值反算出来，实现中心波长与沉降量的对应关系。 

本发明的有益效果是： 

1、量程范围适应性强。由于采用双膜结构和可自由移动的承压板，通过改变上套筒的长度或改变压簧的劲度系数K的强度,可以调整沉降仪的测量量程范围，针对不同需求的量程范围具有有很好地适应性。 

2、标定简单。本发明采用双套筒结构，使沉降仪的标定曲线不因所接触的地基土质种类不同而有明显差异，从而大大简化了沉降仪的标定。 

附图说明

图1为双套管式光纤Bragg光栅沉降仪的结构示意图。 

图中各标号依次表示：可上下移动的承压板（1），压簧（2），上套筒（3），下套筒（4）,环状膜片（5）,螺栓A（6）,传压杆（7），等强度悬臂梁（8）,光纤引出孔（9）,外接光纤跳线（10）,光纤Bragg光栅（11）,底盖板（12），螺栓B（13）。 

具体实施方式

一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，本发明特征是：包括下套筒4和下段插入下套筒4的上套筒3；在上套筒3底部端面通过螺栓A6封盖有环状膜片5；在环状膜片5上连接有压簧2，压簧2上端连接有与上套筒3顶端平齐的承压板1；在环状膜片5底部固定有传压杆7，传压杆7底端与设置在下套筒4内的等强度悬臂梁8接触，该等强度悬臂梁8的固定端与 下套筒4的壳体连接，光纤Bragg光栅11粘贴在等强度悬臂梁8上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅11通过下套筒4下段开设的光纤引出孔9与外接光纤跳线10相连接；在下套筒4底端设有底盖板12通过螺栓B13封盖下套筒4底端。 

本发明可上下移动的承压板1因地质沉降产生向下产生位移，进而使压簧2发生压缩形变，压簧2因而将压缩的反作用力施加在处于上套筒3和下套筒4之间的环状膜片5上，环状膜片5通过传压杆7将扰度传递给位于下套筒4中的等强度悬臂梁8的自由端，最终导致粘贴在等强度悬臂梁上表面中心轴线上的光纤Bragg光栅11波长移位，通过对光纤Bragg光栅波长移位的测量可以实现对地质沉降量进行实时监测。 

双套管光纤Bragg光栅沉降仪的外接光纤跳线与光纤解调仪的通道接口连接，利用解调仪可得到光纤Bragg光栅中心波长的移位值，然后将沉降量的值反算出来，实现中心波长与沉降量的对应关系。 

本发明技术的数学模型如下： 

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为： 

Δλ_B=λ_B(1-P_e)ε      （1） 

式（1）中，λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长，Δλ_B为中心波长移位量，P_e=0.22为有效弹-光系数，ε为轴向应变量。 

当可自由移动的承压板向下移动Δx（沉降量）时，压簧同时产生Δx（沉降量）的压缩弹性形变，根据Hooke弹性定律，作用在环状膜片上的压力为： 

F=kΔx      （2） 

式（2）中，F为作用在环状膜片上的压力，Δx为压簧的压缩形变量（沉降量），k为压簧的劲度系数，它由压簧材料的性质所决定。 

压簧作用在环状膜片受到的压强p0为： 

$p_0=\frac{F}{S}=\frac{\mathrm{k\Δx}}{{{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(3\right)$

式（3）中S为环状膜片的面积，r₀为环状膜片的半径。 

在环状膜片的中心处（x=0）,最大挠度为： 

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)r_0^4}{{16\mathrm{Eh}}^3}{p}_0---\left(4\right)$

式（4）中ω₀为环状膜片中心处的扰度，E环状膜片的弹性模量，h为环状膜片的厚度。 

将（4）式带入（3）式，则扰度ω₀与压簧的压缩形变量（沉降量）Δx的关系为： 

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{3k(1-{\text{\μ}}^2){r_0}^2\text{\Δx}}{{16\mathrm{\πEh}}^3}---\left(5\right)$

等强度悬臂梁上沿轴线方向应变的大小不随位置的不同而变化，且其应变ε与等强度悬臂梁自由端挠度ω0的关系为： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{3\mathrm{dw}}_0}{l^2}---\left(6\right)$

（6）式中，d为等强度悬臂梁的厚度，l为等强度悬臂梁的的长度。 

把（5）式带入（6）式，则悬臂梁上的应变ε与压缩形变量（沉降量）Δx的关系为： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{9\mathrm{dk}(1-{\mathrm{\μ}}^2){r_0}^2}{16{\mathrm{\πEh}}^3{l}^2}\mathrm{\Δx}---\left(7\right)$

把（7）式代入（1）式，则光纤Bragg光栅的中心波长移位量与沉降量Δx的关系为： 

${\mathrm{\Δ\λ}}_B={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\frac{3\mathrm{dk}(1-{\mathrm{\μ}}^2){r_0}^2}{16{\mathrm{\πEh}}^3{l}^2}---\left(8\right)$

式（8）表明了双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪测得的沉降量Δx与光纤Bragg光栅的中心波长移位Δλ_B之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的中心波长移位Δλ_B可以计算出双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪此时的地基沉降量Δx。 

参见图1,上套筒3内的可上下移动承压板1通过压簧2与环状膜片5相连，通过螺栓A6将环状膜片5固定于上套筒3的底部，传压杆7的上端通过焊接的方式和环状膜片5相连,传压杆7的下端与等强度悬臂梁8的自由端相连，等强度悬臂梁8的自由端通过焊接的方式与下套筒4的壳体连接，悬臂梁的材料采用45#号不锈钢，光纤Bragg光栅11粘贴在等强度悬臂梁8上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅11穿过光纤引出孔9与外接光纤跳线相连接10，最后，通过螺栓B13将底盖板12固定于下套筒4的底部，完成了沉降仪的整体封装。监测过程中通过将外接光纤跳线10与光纤Bragg光栅解调仪相的通道借口相连接，进而可以实现对地基沉降量的实时监测。 

具体参数为： 

1、环状膜片材料：316L不锈钢，杨氏弹性模量E=200GPa，泊松比u=0.306； 

2、环状膜片尺寸：半径r₀=25mm，厚度h=1.2mm； 

3、压簧的劲度系数：k=1000N/m; 

4、等强度悬臂梁尺寸：长度l=25mm,厚度d=2mm； 

5、光纤Bragg光栅技术参数：中心波长λB=1545.00nm，有效弹-光系数pe=0.22； 

6、按附图1配置实验； 

7、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的中心波长； 

8、根据式（8），光纤Bragg光栅的中心波长移位量对沉降量的响应灵敏度为： 

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{\mathrm{\Δx}}={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\frac{3\mathrm{dk}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16{\mathrm{\πEh}}^3{l}^2}---\left(9\right)$

9、将已知量代入式（9），理论计算表明，该沉降仪的灵敏度为377.446pm/m。因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，该传感器的分辨率为0.0026m=2.6mm。计算结果表明，该沉降仪具有高测量分辨率，测量误差小，重复性好等优点。 

Claims (1)

1.一种双套筒式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是：包括下套筒（4）和下段插入下套筒（4）的上套筒（3）；在上套筒（3）底部端面通过螺栓A（6）封盖有环状膜片（5）；在环状膜片（5）上连接有压簧（2），压簧（2）上端连接有与上套筒（3）顶端平齐的承压板（1）；在环状膜片（5）底部固定有传压杆（7），传压杆（7）底端与设置在下套筒（4）内的等强度悬臂梁（8）接触，该等强度悬臂梁（8）的固定端与下套筒（4）的壳体连接，光纤Bragg光栅（11）粘贴在等强度悬臂梁（8）上表面的中心轴线上，光纤Bragg光栅（11）通过下套筒（4）下段开设的光纤引出孔（9）与外接光纤跳线（10）相连接；在下套筒（4）底端设有底盖板（12）通过螺栓B（13）封盖下套筒（4）底端。

Images