CN104006744A - 一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括上端法兰盘、上端弹性保护环套、上端拉杆、上端位移弹簧、防护钢管、弹性钢片、光纤Bragg光栅、下连引出光纤、上连引出光纤、钢管光纤引出孔、下端位移弹簧、下端拉杆、下端法兰盘、下端弹性保护环套；根据粘贴在弹性钢片上光纤Bragg光栅的中心波长的移位值与传感器位移的关系式计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化。本发明可以根据监测需求的不同，串联不同数量的位移传感器实现边坡孔洞的多点位移监测；通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力；结构简单，便于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
我国是一个多山的国家，山地约占全国总面积的2/3，是世界上滑坡频繁的国家之一。滑坡活动与滑坡体的组成物质、力学性能、形态、层状、软弱面、结构面等因素有关，机制较为复杂。边坡内部位移监测一直是岩土工程界关注的重要课题。对岩土体深部位移的监测，一般采用基岩位移计、多点位移计等传感器，传感单元安装于孔口位置，连接不同长度的传递杆，测量不同深度锚固端相对孔口的位移量，并通过假定的深部不动点，换算各测点及孔口的变形。
传统的差动电阻式、钢弦式边坡位移计已经广泛应用于边坡内部位移的监测中，但传统边坡位移计存在较大的不足，如数据采集仪器会出现漂移误差，测量位置点有限，不足以判断实际变形发生的准确位置，由于传递杆的变形导致测值失真，安装复杂，施工难度、成本大。边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器有抗电磁干扰、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、远距离和长期性要求，可实现分布式测量等优点，为解决上述关键问题提供了良好的技术手段。
发明内容
本发明提供了一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器及其使用方法，以用于解决对边坡多点位移实时在线检测的问题。
本发明的技术方案是：一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，包括上端法兰盘1、上端弹性保护环套2、上端拉杆3、上端位移弹簧4、防护钢管5、弹性钢片6、光纤Bragg光栅7、下连引出光纤8、上连引出光纤9、钢管光纤引出孔10、下端位移弹簧11、下端拉杆12、下端法兰盘13、下端弹性保护环套14；其中上端拉杆3底座攻螺纹与上端法兰盘1相连，上端拉杆3的另一端与上端位移弹簧4的一端相连，上端位移弹簧4的另一端与弹性钢片6相连，光纤Bragg光栅7粘贴在弹性钢片6上，弹性钢片6的下端与下端位移弹簧11的一端相连，下端位移弹簧11的另一端连接下端拉杆12，下端拉杆12通过底座螺纹与下端法兰盘13相连，上端法兰盘1与下端法兰盘13之间放置防护钢管5，防护钢管5中间的左右两边开孔分别引出上连引出光纤9和下连引出光纤8，钢管光纤引出孔10用环氧树脂封闭，上端弹性保护环套2和下端弹性保护环套14的固定端分别与上端法兰盘1、下端法兰盘13相连，自由端掐住防护钢管5外壁。
所述上端法兰盘1、下端法兰盘13与防护钢管5之间留有间隙。
多个位移传感器通过下连引出光纤8与上连引出光纤9串联，串联后的位移传感器通过钢丝绳15捆绑后放入边坡孔洞16中，再通过灌浆固结于边坡岩层17的边坡孔洞16内。
所述串联后的位移传感器中底部位移传感器的下连引出光纤8连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
所述串联后的位移传感器中顶端位移传感器的上连引出光纤9连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、当位移传感器所在测量位置的土层发生位移或岩层发生开裂，上下法兰盘113将带动上端位移弹簧4、下端位移弹簧11做压缩或拉伸，上端位移弹簧4、下端位移弹簧11把位移转化为对弹性钢片6的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7拉伸或压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在弹性钢片6上的光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值 ；
B、根据粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值与传感器位移的关系式计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化；式中：k为上端位移弹簧4、下端位移弹簧11的倔强系数，为光纤Bragg光栅7的中心波长，为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，S为弹性钢片6的横截面积，E为弹性钢片6的弹性模量。
本发明的工作原理是：
根据边坡岩层17中边坡孔洞16中的测量位置，把位移传感器串联起来，用钢丝绳15捆绑后放入边坡孔洞16中，通过灌浆固结于钻孔内。当位移传感器所在测量位置的土层发生位移或岩层发生开裂，上端法兰盘1与下端法兰盘13将带动上端位移弹簧4、下端位移弹簧11做压缩或拉伸，上端位移弹簧4、下端位移弹簧11把位移转化为对弹性钢片6的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7拉伸或压缩，将被测孔洞测量点的位移检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，通过下连引出光纤8串联位移传感器，底部的位移传感器下连引出光纤8连接铠装光缆引出边坡孔洞16，双向出头的连接方式提高了一倍的传感器成活率，本结构构成边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器。
本发明的数学模型分析如下：
根据胡可定律，上端位移弹簧4、下端位移弹簧11对弹性钢片6所施加的力F，力学方程：
F=k·x （1）
式中，k为弹簧的劲度（倔强）系数，x为上端位移弹簧4、下端位移弹簧11的位移量。
L=2·x （2）
式中，L为位移传感器的位移量，x为上端位移弹簧4、下端位移弹簧11的位移量。
弹性钢片6受力形变方程：
（3）
式中，E为弹性钢片6的弹性模量，S为弹性钢片6的横截面积，l为弹性钢片6的长度，Δl为弹性钢片6的长度变化量。
弹性钢片6的应变为：
（4）
把（4）式带入（3）式得：
（5）
粘贴在弹性钢片上6的光纤Bragg光栅7随弹性钢片拉伸，若测量过程中温度变化了ΔT，则应变和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量为：
（6）
式中，为应变敏感系数；S T 为温度敏感系数；为光纤Bragg光栅7应变；ΔT为温度变化量；为光纤Bragg光栅7的中心波长。通过外加的温度传感器确定，在公式（6）中消除温度的影响，可得：
（7）
式中，为由应变引起的光纤Bragg光栅的波长移位。
把（5）式带入（7）式得：
（8）
把（1）、（2）式带入（8）式得：
（9）
式（9）表明了被测孔洞测量点的位移与光纤Bragg光栅波长之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出被测孔洞测量点的位移。
本发明的有益效果是：
1、弹簧把位移转化为对弹性钢片的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片上光纤Bragg光栅拉伸或压缩，将被测孔洞测量点的位移检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与被测孔洞测量点的位移具有线性关系。
2、根据边坡孔洞中不同深度的监测位置，把位移传感器串联起来，用钢丝绳捆绑后放入边坡孔洞中，通过灌浆固结于钻孔内。可以根据监测需求的不同，串联不同数量的位移传感器实现边坡孔洞的多点位移监测。
3、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对边坡的长期监测。
4、结构简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明中位移传感器的结构示意图；
图2为本发明中边坡多点位移传感器安装结构示意图；
图3为本发明中带弹性保护环套的法兰盘侧视示意图；
图4为本发明中防护钢管侧视示意图；
图5为本发明中拉杆、弹簧、弹性钢片、光纤Bragg光栅的连接结构示意图；
图中各标号：1为上端法兰盘、2为上端弹性保护环套、3为上端拉杆、4为上端位移弹簧、5为防护钢管、6为弹性钢片、7为光纤Bragg光栅、8为下连引出光纤、9为上连引出光纤、10为钢管光纤引出孔、11为下端位移弹簧、12为下端拉杆、13为下端法兰盘、14为下端弹性保护环套、15为钢丝绳、16为边坡孔洞、17为边坡岩层。
具体实施方式
实施例1：如图1-5所示，一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，包括上端法兰盘1、上端弹性保护环套2、上端拉杆3、上端位移弹簧4、防护钢管5、弹性钢片6、光纤Bragg光栅7、下连引出光纤8、上连引出光纤9、钢管光纤引出孔10、下端位移弹簧11、下端拉杆12、下端法兰盘13、下端弹性保护环套14；其中上端拉杆3底座攻螺纹与上端法兰盘1相连，上端拉杆3的另一端与上端位移弹簧4的一端相连，上端位移弹簧4的另一端与弹性钢片6相连，光纤Bragg光栅7粘贴在弹性钢片6上，弹性钢片6的下端与下端位移弹簧11的一端相连，下端位移弹簧11的另一端连接下端拉杆12，下端拉杆12通过底座螺纹与下端法兰盘13相连，上端法兰盘1与下端法兰盘13之间放置防护钢管5，防护钢管5中间的左右两边开孔分别引出上连引出光纤9和下连引出光纤8，钢管光纤引出孔10用环氧树脂封闭，上端弹性保护环套2和下端弹性保护环套14的固定端分别与上端法兰盘1、下端法兰盘13相连，自由端掐住防护钢管5外壁。
所述上端法兰盘1、下端法兰盘13与防护钢管5之间留有间隙。
多个位移传感器通过下连引出光纤8与上连引出光纤9串联，串联后的位移传感器通过钢丝绳15捆绑后放入边坡孔洞16中，再通过灌浆固结于边坡岩层17的边坡孔洞16内。
所述串联后的位移传感器中底部位移传感器的下连引出光纤8连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
所述串联后的位移传感器中顶端位移传感器的上连引出光纤9连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、当位移传感器所在测量位置的土层发生位移或岩层发生开裂，上下法兰盘113将带动上端位移弹簧4、下端位移弹簧11做压缩或拉伸，上端位移弹簧4、下端位移弹簧11把位移转化为对弹性钢片6的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7拉伸或压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在弹性钢片6上的光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值；
B、根据粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值与传感器位移的关系式计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化；式中：k为上端位移弹簧4、下端位移弹簧11的倔强系数，为光纤Bragg光栅7的中心波长，为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，S为弹性钢片6的横截面积，E为弹性钢片6的弹性模量。
实施例2：如图1-5所示，一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，包括上端法兰盘1、上端弹性保护环套2、上端拉杆3、上端位移弹簧4、防护钢管5、弹性钢片6、光纤Bragg光栅7、下连引出光纤8、上连引出光纤9、钢管光纤引出孔10、下端位移弹簧11、下端拉杆12、下端法兰盘13、下端弹性保护环套14；其中上端拉杆3底座攻螺纹与上端法兰盘1相连，上端拉杆3的另一端与上端位移弹簧4的一端相连，上端位移弹簧4的另一端与弹性钢片6相连，光纤Bragg光栅7粘贴在弹性钢片6上，弹性钢片6的下端与下端位移弹簧11的一端相连，下端位移弹簧11的另一端连接下端拉杆12，下端拉杆12通过底座螺纹与下端法兰盘13相连，上端法兰盘1与下端法兰盘13之间放置防护钢管5，防护钢管5中间的左右两边开孔分别引出上连引出光纤9和下连引出光纤8，钢管光纤引出孔10用环氧树脂封闭，上端弹性保护环套2和下端弹性保护环套14的固定端分别与上端法兰盘1、下端法兰盘13相连，自由端掐住防护钢管5外壁。
所述上端法兰盘1、下端法兰盘13与防护钢管5之间留有间隙。
多个位移传感器通过下连引出光纤8与上连引出光纤9串联，串联后的位移传感器通过钢丝绳15捆绑后放入边坡孔洞16中，再通过灌浆固结于边坡岩层17的边坡孔洞16内。
所述串联后的位移传感器中底部位移传感器的下连引出光纤8连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
所述串联后的位移传感器中顶端位移传感器的上连引出光纤9连接铠装光缆引出边坡孔洞16。
一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
A、当位移传感器所在测量位置的土层发生位移或岩层发生开裂，上下法兰盘113将带动上端位移弹簧4、下端位移弹簧11做压缩或拉伸，上端位移弹簧4、下端位移弹簧11把位移转化为对弹性钢片6的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7拉伸或压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在弹性钢片6上的光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值；
B、根据粘贴在弹性钢片6上光纤Bragg光栅7的中心波长的移位值与传感器位移的关系式计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化；式中：k为上端位移弹簧4、下端位移弹簧11的倔强系数，为光纤Bragg光栅7的中心波长，为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，S为弹性钢片6的横截面积，E为弹性钢片6的弹性模量。其具体参数为：
1、弹性钢片的尺寸参数为：长度为L为40mm，宽度B为3mm，45#钢Young’s模量为E=200GPa，厚度h为1mm，弹性钢片的横截面积S=3*1mm2；
2、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长=1550 nm，；
3、弹簧的劲度（倔强）系数为k=10N/cm；
4、按附图1-5配置实验；
5、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
6、根据公式（9），通过光纤Bragg光栅的Bragg波长移位可计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化；
7、根据公式（9），光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对被测孔洞测量点位移的响应灵敏度：；
将各已知量代入上式，理论计算表明，该位移传感器的灵敏度为10.075pm/cm；当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨力为1 pm时（指每变化1 pm时），该传感器的位移分辨力为0.0993cm。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，其特征在于：包括上端法兰盘（1）、上端弹性保护环套（2）、上端拉杆（3）、上端位移弹簧（4）、防护钢管（5）、弹性钢片（6）、光纤Bragg光栅（7）、下连引出光纤（8）、上连引出光纤（9）、钢管光纤引出孔（10）、下端位移弹簧（11）、下端拉杆（12）、下端法兰盘（13）、下端弹性保护环套（14）；其中上端拉杆（3）底座攻螺纹与上端法兰盘（1）相连，上端拉杆（3）的另一端与上端位移弹簧（4）的一端相连，上端位移弹簧（4）的另一端与弹性钢片（6）相连，光纤Bragg光栅（7）粘贴在弹性钢片（6）上，弹性钢片（6）的下端与下端位移弹簧（11）的一端相连，下端位移弹簧（11）的另一端连接下端拉杆（12），下端拉杆（12）通过底座螺纹与下端法兰盘（13）相连，上端法兰盘（1）与下端法兰盘（13）之间放置防护钢管（5），防护钢管（5）中间的左右两边开孔分别引出上连引出光纤（9）和下连引出光纤（8），钢管光纤引出孔（10）用环氧树脂封闭，上端弹性保护环套（2）和下端弹性保护环套（14）的固定端分别与上端法兰盘（1）、下端法兰盘（13）相连，自由端掐住防护钢管（5）外壁。
2.根据权利要求1所述的边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，其特征在于：所述上端法兰盘（1）、下端法兰盘（13）与防护钢管（5）之间留有间隙。
3.根据权利要求1所述的边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，其特征在于：多个位移传感器通过下连引出光纤（8）与上连引出光纤（9）串联，串联后的位移传感器通过钢丝绳（15）捆绑后放入边坡孔洞（16）中，再通过灌浆固结于边坡岩层（17）的边坡孔洞（16）内。
4.根据权利要求3所述的边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，其特征在于：所述串联后的位移传感器中底部位移传感器的下连引出光纤（8）连接铠装光缆引出边坡孔洞（16）。
5.根据权利要求3所述的边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器，其特征在于：所述串联后的位移传感器中顶端位移传感器的上连引出光纤（9）连接铠装光缆引出边坡孔洞（16）。
6.一种边坡光纤Bragg光栅多点位移传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
A、当位移传感器所在测量位置的土层发生位移或岩层发生开裂，上下法兰盘（1）（13）将带动上端位移弹簧（4）、下端位移弹簧（11）做压缩或拉伸，上端位移弹簧（4）、下端位移弹簧（11）把位移转化为对弹性钢片（6）的拉力或压力，带动粘贴在弹性钢片（6）上光纤Bragg光栅（7）拉伸或压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在弹性钢片（6）上的光纤Bragg光栅（7）的中心波长的移位值 ；
B、根据粘贴在弹性钢片（6）上光纤Bragg光栅（7）的中心波长的移位值与传感器位移的关系式计算出边坡孔洞土层发生位移或岩层发生开裂所导致的测量位置位移变化；式中：k为上端位移弹簧（4）、下端位移弹簧（11）的倔强系数，为光纤Bragg光栅（7）的中心波长，为光纤Bragg光栅（7）的应变敏感系数，S为弹性钢片（6）的横截面积，E为弹性钢片（6）的弹性模量。
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