CN104634269A - 利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤光栅位移传感器利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置及方法，该装置包括光纤光栅位移计、光缆和信号转换机构，所述光纤光栅位移计与所述信号转换机构之间通过光缆连接；所述光纤光栅位移计顺次连接，用以检测基岩的轴向变形；通过光缆与所述光纤光栅位移计连接，用以接收光缆中的信号并转变为可读的信息。本发明的有益效果为：基于光纤光栅位移计解决了测量基岩轴向变形的问题，并且采用带温度补偿的光纤位移计可避免温度影响；通过将不同光纤光栅位移计顺次连接组装成串，可连续测得地下洞室围岩和基岩的轴向变形；根据安装孔位设计不同，还可测得不同方向的基岩轴向变形。

Description

利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置及方法

技术领域

本发明涉及地质测量技术领域，具体涉及一种利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置和方法。

背景技术

在水电工程中，由于岩石的开挖或者工程建(构)筑物的修建会引起岩石内部的应力分布变化，从而使岩石发生压缩或回弹变形。这种变形对工程安全和稳定非常不利，需要测得其量值并采取工程措施来消除。

目前水电工程地下洞室监测基岩轴向变形的仪器较少，一般采用滑动测微计来监测轴向位移，滑动测微计是一种人工测量的进口仪器，目前还没有国内厂家能生产。利用滑动测微计来测量基岩轴向位移，需要在测量部位钻孔，在孔内埋设定制的测管，测管外套特制铜环，铜环需按1000mm间距精确固定，测管连带铜环放入预先钻好钻孔内后用水泥砂浆回灌密实，通过滑动测微计测头来测量两个相邻铜环间的距离来确定被测孔轴向的位移变化，其量程为±10mm，也就是说两个铜环间的距离在990mm-1010mm之间才可以测量。在测量过程中需要用1.5-2.0m长的测杆来下放滑动测微计测头，操作需要3-5人才能操作，且无法实现电测(自动采集)。同时，进口仪器价格高昂，推高了工程造价，较难在工程中广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置及方法，发明通过将多支光纤光栅位移传感器组装成串，可连续测得地下洞室基岩轴向压缩或回弹变形，以克服现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，

包括光纤光栅位移计、光缆和信号转换机构，所述光纤光栅位移计与所述信号转换机构之间通过光缆连接；

所述光纤光栅位移计顺次连接，用以检测基岩的轴向变形，并将所述变形信号传递给光缆；

信号转换机构通过光缆与所述光纤光栅位移计连接，用以接收光缆中的信号并转变为可读的信息。

优选的，所述光线光栅位移计为带温度补偿的光纤光栅位移计，所述信号转换机构为调制解调仪。

进一步的，两相邻所述光纤光栅位移计通过内法兰连接，所述内法兰为圆形法兰，所述内法兰的中心设有中心安装孔，第一连接杆的一端固定在两相邻内法兰一内法兰的中心安装孔内，所述第一连接杆的另一端固定在所述光纤光栅位移计的一端，所述光纤光栅位移计的弹簧管固定连接于不锈钢测杆，所述不锈钢测杆的另一端固定连接有第二连接杆，所述第二连接杆的另一端固定连接于两相邻的内法兰的另一内法兰的中心孔内。

进一步的，每一个所述内法兰上均设有两个供光缆通过的光缆通过孔，两个所述光缆通过孔分别为第一光缆通过孔和第二光缆通过孔；

所有所述内法兰的第一光缆通过孔的轴心重合，所有所述内法兰的第二光缆通过孔的轴心重合；

所述光缆沿所述装置的轴向依次穿过每一个所述第一光缆通过孔并反向折回，依次穿过每一个所述第二光缆通过孔，位于两个相邻第一光缆通过孔之间的光缆穿过所述光纤光栅位移传感器的位移感应器。

优选的，所述内法兰的形状为圆柱凸台，相邻所述内法兰的周侧套设有防护管，用以将光纤光栅位移计隔离在内；

所述防护管的外侧套设有外法兰，所述装置还包括连接件，所述连接件依次穿过所述外法兰、所述防护管并且将所述外法兰和所述防护管固定在内法兰上。

优选的，本发明还包括钢丝；

每一个所述外法兰上均设有第一钢丝通过孔和第二钢丝通过孔，所有所述第一钢丝通过孔的轴心重合，所有所述第二钢丝通过孔的轴心重合，所述钢丝为两段，一段所述钢丝依次穿过所述第一钢丝通过孔并在两端打结，另一段所述钢丝依次穿过所述第二钢丝通过孔并在两端打结。

进一步的，安装孔底端的的内法兰上固定有圆环状的保护杆，位于安装孔底端的光缆折弯成与所述保护杆一致的圆环状并且通过扎带固定在所述保护杆上。

使用上述利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置测量基岩的轴向变形的方法，该方法包括如下步骤：

S1、沿基岩的轴向在基岩上开设安装孔；

S2、根据安装孔的深度将相应数量的位移计进行组装形成所述装置；

S3、将组装完毕的所述装置装入安装孔；

S4、向安装孔内灌入浆液，浆液硬化后将所述位移感应机构与基岩结合成一体。

优选的，步骤S4中的浆液为水泥浆液。

本发明的有益效果为：

基于光纤光栅位移计解决了测量基岩轴向变形的问题，并且采用带温度补偿的光纤光栅位移计可避免温度影响。通过将不同光纤光栅位移计顺次连接组装成串，可连续测得地下洞室围岩和基岩的轴向变形。根据安装孔位设计不同，还可测得不同方向的基岩轴向变形。本发明采用电测，每次测量前不需要对仪器进行校准。操作简单，经济实用，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是单支光纤光栅位移计的结构示意图；

图2是内法兰的主视图；

图3是图2沿A-A的剖视图；

图4是图2沿B-B的剖视图；

图5是外法兰的主视图；

图6是图5沿A-A的剖视图；

图7是图5沿B-B的剖视图；

图8是内法兰与外法兰组装后的主视图；

图9是图8沿A-A的剖视图；

图10是图8沿B-B的剖视图；

图11是光栅光线位移计组装结构示意图。

图中：1、内法兰；2、外法兰；3、带螺帽M5螺丝；4、M5带螺纹螺孔；5、光缆；6、固定杆；7、第一连接杆；8、位移感应器；9、弹簧管；10、不锈钢测杆；11、第二连接杆；12、M5螺栓；13、M5带螺纹通孔；14、凹槽，15、八号铅丝圆弧；16、连接套管；17、防护管；18、钢丝。

具体实施方式

优选实施例

如图1-图11所示，利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，包括光纤光栅位移计、光缆5和信号转换机构，所述光纤光栅位移计与所述信号转换机构之间通过光缆5连接；所述光纤光栅位移计顺次连接，用以检测基岩的轴向变形，并将变形信号传递给光缆；信号转换机构通过光缆5与所述光纤光栅位移计连接，用以接收光缆5中的信号并转变为可读的信息。所述光线光栅位移计选用带温度补偿的光纤光栅位移计，所述信号转换机构为调制解调仪。

两相邻所述光纤光栅位移计通过内法兰1连接，所述内法兰1为圆形法兰，所述内法兰1的中心设有中心安装孔，第一连接杆7的一端固定在两相邻内法兰1的中心安装孔内，所述第一连接杆7的另一端固定在所述光纤光栅位移计的一端，所述光纤光栅位移计的弹簧管9固定连接于不锈钢侧刚10，所述不锈钢侧刚10的另一端固定连接有第二连接杆11，所述第二连接杆11的另一端固定连接于两相邻的内法兰1的另一内法兰1的中心孔内。

每一个所述内法兰1上均设有两个供光缆5通过的光缆通过孔，如图3和图4中的凹槽14，两个所述光缆通过孔分别为第一光缆通过孔和第二光缆通过孔；所有所述内法兰1的第一光缆通过孔的轴心重合，所有所述内法兰1的第二光缆通过孔的轴心重合；所述光缆5沿所述装置的轴向依次穿过每一个所述第一光缆5通过孔并反向折回，依次穿过每一个所述第二光缆5通过孔，位于两个相邻第一光缆5通过孔之间的光缆5穿过所述光纤光栅位移计的位移感应器8。

所述内法兰1的形状为圆柱凸台，相邻所述内法兰1的周侧套设有防护管17，用以将光纤光栅位移计隔离在内；所述防护管17的外侧套设有外法兰2，所述装置还包括连接件，所述连接件依次穿过所述外法兰2、所述防护管17并且将所述外法兰2和所述防护管17固定在内法兰1上，所述连接件为图10中的带螺帽M5螺丝3。

本发明还包括钢丝18；每一个所述外法兰2上均设有第一钢丝通过孔和第二钢丝通过孔，所有所述第一钢丝通过孔的轴心重合，所有所述第二钢丝通过孔的轴心重合，所述钢丝18为两段，一段所述钢丝18依次穿过所述第一钢丝通过孔并在两端打结，另一段所述钢丝18依次穿过所述第二钢丝通过孔并在两端打结。

安装孔底端的的内法兰1上固定有圆环状的保护杆，位于安装孔底端的光缆5折弯成与所述保护杆一致的圆环状并且通过扎带固定在所述保护杆上。保护杆为八号铅丝制成的八号铅丝圆弧15，如图11所示。

使用本发明测量基岩的轴向变形时的方法包括如下步骤：

S1、沿基岩的轴向在基岩上开设安装孔；

S2、根据安装孔的深度将相应数量的位移计进行组装形成所述装置；

S3、将组装完毕的所述装置装入安装孔；

S4、向安装孔内灌入水泥浆液，水泥浆液硬化后将所述位移感应机构与基岩结合成一体。

将本发明所述的装置组装好后埋设在围岩监测孔中，然后对监测孔进行回填灌浆，外法兰2通过水泥浆液与开设有安装孔的洞室基岩紧密结合，以保证位移感应器8的位移与洞室基岩的应变一致，采用便携式解调仪测得各位移传感器的数据，进一步得到测点处围岩位移数据，通过累加监测安装孔中位移传感器位移测值得到全孔深的轴向变形。

本发明所述的装置通过如下方法进行组装：图1中位移感应器8、固定杆6、光缆5、弹簧管9、Φ7的不锈钢侧刚1010均属于光纤光栅位移传感器(量程25mm，精度0.3％F.S)主体部分。内法兰1、外法兰2、第一连接杆7、第二连接杆11、M5螺栓12、带螺帽M5螺丝3为装置的连接固定结构组成部分。位移感应器8尾端是深10mm带螺纹的M6母螺孔，将第一连接杆7前端M6螺丝拧入螺孔中。接着将M5螺栓12拧入内法兰1上的M5带螺纹通孔13内，然后用内法兰1左右的螺栓分别与安装在前一个位移传感器上的第二连接杆11的顶端母螺孔和安装在下一个位移传感器上的连接杆一7尾端母螺孔。每组最后一支位移传感器的内法兰1贯穿螺纹孔拧入带螺帽M5螺丝3。单支光纤光栅位移传感器组装后，预拉5mm使两个相邻法兰中心线间距保持500mm，两个法兰中心线间的光缆总长度为410mm。

图11所示为本发明的位移传感器串组装示意图。结合地下洞室工程实际，可在围岩监测孔安装埋设30-50支光纤光栅位移传感器，单支光纤光栅位移传感器组装预拉后法兰中心线间距取500mm，采用本发明装置可以测量15-30m深度围岩轴向变形。为准确测量围岩轴向变形，保证光纤光栅位移传感器的测量精度，依次串联六支光纤光栅位移传感器光缆组成位移计组。在本实例说明中单支光纤光栅位移传感器预拉5mm后相邻法兰中心线间距保持500mm，两个法兰中心线间的光缆总长度为410mm。将连接好的位移计组水平摆放成一条直线。先取300mm长防护管17，在距一端50mm处两侧对称打孔，孔径5mm。将PVC-U管离开孔远端一侧从位移计组底端穿入，孔口与内法兰1的螺孔对应，安装外法兰2进行固定。取500mm长40PVC-U管17，在中间位置对称打孔，从位移计组顶端穿入。同时，在PVC-U管外套入定制的50mm长连接套管16(套管内径40mm)，套管滑动至两根PVC-U管对接位置附近。对底端第一支位移传感器组装进行预拉，预拉长度5mm，预拉后两个内法兰1的中心线间距保持500mm。将两根PVC-U管对接好，并且保证管上开孔与内法兰1上的M5带螺纹螺孔4对应，安装外法兰2进行固定。在两根PVC-U管对接位置附近涂抹PVC-U管胶水，两根管各涂抹25mm左右，保证胶水涂抹均匀。将连接套管16滑到对接处，使连接套管16中点位于两根管的对接处。在连接套管16外缠绕胶布，进一步对连接套管16和两根PVC-U管进行固定。重复组装三支位移传感器，同时安装位移传感器保护管。取300mm长防护管17，在距一端50mm处两侧对称打孔，孔径5mm。将PVC-U管离开孔远端一侧从位移计组顶端穿入，同时在PVC-U管外套入定制的50mm长连接套管16。对位移传感器组装进行预拉后，孔口与内法兰1上的M5带螺纹螺孔4对应，安装外法兰2进行固定，对连接处进行固定。对位移计组两端的PVC-U管管口做封闭处理，防止灌浆时水泥进入管内。

为进一步固定装置，根据每孔的设计数量将多串保护后的位移传感器用扎带绑扎固定在Φ3的钢丝18上。将每串位移计组的首尾端光缆引出至厂顶观测锚固洞，可便于后期监测。为避免弯折时光缆损坏，位移计组串底端的光缆用事先加工好的八号铅丝圆弧15(带直径20mm的弧度)固定，然后将光缆从保护管内穿过，光缆经过法兰盘时，陷入内法兰1下部的凹槽14中。最后将每串位移计组尾端及顶端引出的光缆固定在Φ3的钢丝18上。仪器和光缆绑扎好后，依次将位移计组放入监测孔内，入孔过程中同时放入灌浆管。下放过程中注意保护仪器和光缆，以免损坏。日常观测时采用便携式解调仪进行观测，可以实现电测，较为方便。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，

包括光纤光栅位移计、光缆和信号转换机构，所述光纤光栅位移计与所述信号转换机构之间通过光缆连接；

所述光纤光栅位移计顺次连接，用以检测基岩的轴向变形，并将所述变形信号传递给光缆；

信号转换机构通过光缆与所述光纤光栅位移计连接，用以接收光缆中的信号并转变为可读的信息。

2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，所述光线光栅位移计为带温度补偿的光纤光栅位移计，所述信号转换机构为调制解调仪。

3.根据权利要求2所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，两相邻所述光纤光栅位移计通过内法兰连接，所述内法兰为圆形法兰，所述内法兰的中心设有中心安装孔，第一连接杆的一端固定在两相邻内法兰一内法兰的中心安装孔内，所述第一连接杆的另一端固定在所述光纤光栅位移计的一端，所述光纤光栅位移计的弹簧管固定连接于不锈钢测杆，所述不锈钢测杆的另一端固定连接有第二连接杆，所述第二连接杆的另一端固定连接于两相邻的内法兰的另一内法兰的中心孔内。

4.根据权利要求3所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，

每一个所述内法兰上均设有两个供光缆通过的光缆通过孔，两个所述光缆通过孔分别为第一光缆通过孔和第二光缆通过孔；

所有所述内法兰的第一光缆通过孔的轴心重合，所有所述内法兰的第二光缆通过孔的轴心重合；

所述光缆沿所述装置的轴向依次穿过每一个所述第一光缆通过孔并反向折回，依次穿过每一个所述第二光缆通过孔，位于两个相邻第一光缆通过孔之间的光缆穿过所述光纤光栅位移传感器的位移感应器。

5.根据权利要求4所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，

所述内法兰的形状为圆柱凸台，相邻所述内法兰的周侧套设有防护管，用以将光纤光栅位移计隔离在内；

所述防护管的外侧套设有外法兰，所述装置还包括连接件，所述连接件依次穿过所述外法兰、所述防护管并且将所述外法兰和所述防护管固定在内法兰上。

6.根据权利要求5所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，

还包括钢丝；

每一个所述外法兰上均设有第一钢丝通过孔和第二钢丝通过孔，所有所述第一钢丝通过孔的轴心重合，所有所述第二钢丝通过孔的轴心重合，所述钢丝为两段，一段所述钢丝依次穿过所述第一钢丝通过孔并在两端打结，另一段所述钢丝依次穿过所述第二钢丝通过孔并在两端打结。

7.根据权利要求6所述的利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置，其特征在于，安装孔底端的的内法兰上固定有圆环状的保护杆，位于安装孔底端的光缆折弯成与所述保护杆一致的圆环状并且通过扎带固定在所述保护杆上。

8.使用权利要求1-7中任一项所述利用光纤光栅位移传感器测量基岩轴向变形的装置测量基岩的轴向变形的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、沿基岩的轴向在基岩上开设安装孔；

S2、根据安装孔的深度将相应数量的位移计进行组装形成所述装置；

S3、将组装完毕所述装置装入安装孔；

S4、向安装孔内灌入浆液，浆液硬化后将所述位移感应机构与基岩结合成一体。

9.根据权利要求8所述的测量基岩轴向变形的方法，其特征在于，步骤S4中的浆液为水泥浆液。