CN105091757A - 一种关节式光纤深部位移传感器及传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种关节式光纤深部位移传感器及传感器阵列，传感器包括保护软管、上关节、下关节、轴及光纤光栅，上关节和下关节设于腔体中，上关节和下关节的身部与保护软管的管壁紧贴，上关节的头部与下关节的头部通过轴铰接，并且上关节的头部、下关节的头部与管壁围成一容置空间，光纤光栅设于容置空间中，其一端固定在上关节上，另一端固定在下关节上。本发明用于路基或地基的深部位移或形变的监测，重点解决目前光纤位移传感器用于深部位移监测直径过大、长度过长、灵敏度不高的问题。

Description

一种关节式光纤深部位移传感器及传感器阵列

技术领域

本发明涉及路基沉降监测领域，尤其涉及一种关节式光纤深部位移传感器，适用于路基深部的位移或形变的测量。

背景技术

公路、铁路沿线的路基或其它建筑物的地基，常常缓慢的沉降或地质灾害引发变形，从而对地面建筑构成威胁。因此，对路基/地基的深部位移或形变监测十分重要。目前典型的深部位移传感器有电容式或涡流式位移传感器。通过电传感器测得位移量并将位移量转换为电信号输入分析设备进行计算，最后得出深部位移量。但是，电子类传感器存在密封性差、易漏电、易腐蚀、受电磁干扰、易受雷击等问题，在实际工程应用中存在很多问题。

光纤传感器采用光纤进行传感和传输，不存在上述问题，因此近年得到了越来越多的重视。

黎剑华等人提出了一种软基沉降监测的光纤位移传感器(光纤Bragg光栅在公路软基沉降监测中的应用，中南大学学报，42(5)，2011)，该光纤位移传感器采用大直径圆盘下面安装弹簧，弹簧再连接光纤光栅的方式感受深部位移。该设计的不足在于：1)必须采用大直径圆盘才能将土体的位移和应变传递到光纤光栅位移传感器，从而限值了传感器的直径不能做小，进而增加了安装难度；2)需要安装低弹性系数的弹簧，从而使传感器的长度过长，因而降低了深部位移监测的空间分辨率；3)采用弹簧连接，在一定程度上是“减敏”作用，从而使传感器的灵敏度较低。

因此，如何提高传感器的灵敏度、减小光纤深部位移传感器的直径，使钻孔安装更加方便、并且减小传感器的长度，提高深部位移监测的空间分辨率，成为光纤位移传感器用于深部位移和变形监测目前亟需解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种关节式光纤深部位移传感器及传感器阵列，用于路基或地基的深部位移或形变的监测，重点解决目前光纤位移传感器用于深部位移监测直径过大、长度过长、灵敏度不高的问题。

(二)技术方案

本发明提供一种关节式光纤深部位移传感器，包括保护软管、上关节、下关节、轴及光纤光栅，其中：

上关节和下关节设于腔体中，其中，上关节和下关节分别具有头部和身部，身部与保护软管的管壁紧贴，上关节的头部与下关节的头部通过轴铰接，并且上关节的头部、下关节的头部与管壁围成一容置空间；

光纤光栅设于容置空间中，其一端固定在上关节上，另一端固定在下关节上。

本发明还提供一种关节式光纤深部位移传感器阵列，包括多个关节式光纤深部位移传感器。

本发明的工作原理为，当路基的土体产生位移或形变时，将压迫保护软管，从而产生局部变形，使保护软管产生弯曲。在发生局部形变位置的保护软管内部的关节式光纤深部位移传感器将受到保护软管变形的压迫并随之变形，这一变形使得上关节与下关节发生如同关节一样的旋转，从而带动固定于上关节与下关节之间的光纤光栅产生形变，导致光纤光栅的输出波长发生变化。通过监测光纤光栅输出波长的变化就可得到路基深部位移的大小。

(三)有益效果

本发明提供的关节式光纤深部位移传感器及传感器阵列具有以下优点：

1、本发明采用在保护软管内部安装上关节与下关节的方式，在二者之间安装光纤光栅，大大减小了传感器的外径。

2、本发明对上下关节的长度要求不高，可以将上下关节做得比较短，大大减小传感器的长度，尤其是在组成阵列时优势更加明显，从而提高深部位移监测的空间分辨率。

3、本发明提供的这种关节式光纤深部位移传感器，其灵敏度可以通过光纤光栅与轴之间的距离进行调节，极大地提高了深部位移传感器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的关节式光纤深部位移传感器的示意图；

图2为本发明实施例提供的关节式光纤深部位移传感器阵列安装于路基内的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种关节式光纤深部位移传感器，包括保护软管、上关节、下关节、轴及光纤光栅，上关节和下关节设于腔体中，上关节和下关节的身部与保护软管的管壁紧贴，头部在保护软管的径向上宽度缩小，从而与管壁不紧贴，上关节的头部与下关节的头部通过轴铰接，并且上关节的头部、下关节的头部与管壁围成一容置空间，光纤光栅设于容置空间中，其一端固定在上关节上，另一端固定在下关节上。

根据本发明的一种实施方式，上关节与下关节具有内部贯穿的孔，用于使光纤光栅的光纤穿过，在具体实施过程中，光纤光栅也可是换作其他双偏振的光纤器件，如相移光栅、长周期光栅、啁啾光栅等。

根据本发明的一种实施方式，容置空间的形状为弓形，也可以根据需要设计其他形状。

本发明还提供一种关节式光纤深部位移传感器阵列，包括多个关节式光纤深部位移传感器，其中，多个关节式光纤深部位移传感器垂直设置，并共用保护软管，其中，上下两个关节式光纤深部位移传感器的光纤熔接在一起，或者光纤可沿关节与保护软管之间的缝隙穿过。

根据本发明的一种实施方式，上方传感器的下关节与下方传感器的上关节固定在一起。

综上所述，本发明采用在保护软管内部安装上关节与下关节的方式，在二者之间安装光纤光栅，大大减小了传感器的外径；其中上下关节的长度要求不高，可以将上下关节做得比较短，大大减小传感器的长度，尤其是在组成阵列时优势更加明显，从而提高深部位移监测的空间分辨率；并且传感器的灵敏度可以通过光纤光栅与轴之间的距离进行调节，极大地提高了深部位移传感器的灵敏度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的关节式光纤深部位移传感器的示意图，如图1所示，关节式光纤深部位移传感器包括保护软管10、上关节20、下关节30、轴40及光纤光栅50。

上关节20和下关节30设于腔体中，其中，上关节20和下关节30分别具有头部和身部，身部与保护软管10的管壁紧贴，上关节20的头部与下关节30的头部通过所述轴40铰接，使上下关节能绕轴旋转，上关节20的头部、下关节30的头部与管壁围成一弓形的容置空间。

光纤光栅50设于所述容置空间中，其一端固定在所述上关节20上，另一端固定在所述下关节30上；上关节20与下关节30具有内部贯穿的孔，用于使光纤光栅50的光纤穿过。

图2为本发明实施例提供的关节式光纤深部位移传感器阵列安装于路基内的示意图，如图2所示，关节式光纤深部位移传感器阵列包括多个关节式光纤深部位移传感器，多个关节式光纤深部位移传感器垂直设置，并共用保护软管10，其中，上下两个关节式光纤深部位移传感器的光纤熔接在一起。上方传感器的下关节30与下方传感器的上关节20固定在一起。

本实施例的工作原理为，当路基的土体60产生位移或形变时，将压迫保护软管10，从而产生局部变形，使保护软管10产生弯曲。在发生局部形变位置的保护软管10内部的关节式光纤深部位移传感器将受到保护软管10变形的压迫并随之变形。这一变形使得上关节20与下关节30发生如同关节一样的旋转，从而带动固定于上关节20与下关节30之间的光纤光栅50产生形变，导致光纤光栅50的输出波长发生变化。通过监测光纤光栅50输出波长的变化就可得到路基深部位移的大小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种关节式光纤深部位移传感器，其特征在于，包括保护软管(10)、上关节(20)、下关节(30)、轴(40)及光纤光栅(50)，其中：

所述上关节(20)和下关节(30)设于所述保护软管的内部，且上关节(20)和下关节(30)分别具有头部和身部，所述身部与所述保护软管(10)的管壁紧贴，所述头部在保护软管的径向上宽度缩小，从而与所述管壁不紧贴，所述上关节(20)的头部与下关节(30)的头部通过所述轴(40)铰接，并且上关节(20)的头部、下关节(30)的头部与管壁围成一容置空间；

所述光纤光栅(50)设于所述容置空间中，其一端固定在所述上关节(20)上，另一端固定在所述下关节(30)上。

2.根据权利要求1所述的关节式光纤深部位移传感器，其特征在于，所述上关节(20)与下关节(30)具有内部贯穿的孔，用于使所述光纤光栅(50)的光纤穿过。

3.根据权利要求1所述的关节式光纤深部位移传感器，其特征在于，所述容置空间的形状为弓形。

4.一种关节式光纤深部位移传感器阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1至3中任意一项所述的关节式光纤深部位移传感器。

5.根据权利要求4所述的关节式光纤深部位移传感器阵列，其特征在于，所述多个关节式光纤深部位移传感器垂直设置，并共用所述保护软管(10)，其中，上下两个关节式光纤深部位移传感器的光纤熔接在一起。

6.根据权利要求5所述的关节式光纤深部位移传感器阵列，其特征在于，上方传感器的下关节(30)与下方传感器的上关节(20)固定在一起。