CN105783866B - 一种基于低相干干涉技术的液位仪及沉降监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于低相干干涉技术的液位仪，包括内部设有浮筒的液位仪容器，浮筒内导轨的上下两端伸出浮筒与液位仪容器的上下表面连接；浮筒上表面与LCI光纤传感器的信号臂连接，所述信号臂通过光纤接头与导轨连接；所述信号臂始终为受力拉直状态。本发明还提供了一种基于低相干干涉技术的沉降监测系统，包括多个液位仪，相邻液位仪的底部通过管道连通；LCI光纤传感器的信号臂与宽带光源连接，参考臂与信号接收处理系统连接。本发明利用迈克尔逊低相干干涉技术，用一条受拉光纤光缆测量液位仪内部浮子的浮力大小，进而反映液位的沉降以及结构的沉降，具有较强抗电磁干扰以及测量精度高、测量范围大的特点。

Description

一种基于低相干干涉技术的液位仪及沉降监测系统
技术领域
本发明涉及一种基于低相干干涉技术的液位仪及高精度沉降监测系统，主要用于土木工程建筑如地基、隧道、桥梁等的沉降测量，属于工程结构健康监测技术领域。
背景技术
液位传感器是一种可以测量不同类型建筑结构沉降的分布式传感器系统，可以大量的布设于大型结构的不同位置，如隧道、大坝、地基、铁路线路等。工程结构的沉降严重影响建筑结构的使用寿命，与人民生命与财产的安全息息相关。因此，基于不同技术的沉降监测系统测出不穷，主要目的一般都是基于一套可行的传感器技术系统测量工程结构本身或者相邻的附属结构各个位置的相对竖向位置变化。
现有技术提出了一些基于不同类型光纤传感器技术反映沉降的传感器专利，如已经公开的专利号CN202119406U所述的光纤沉降传感器，具有测量范围大、灵敏度高等特点。但其主要利用的技术是布拉格光纤光栅传感器。
专利号CN102944219A公开的以光纤传感技术为基础开发的路基沉降监测系统，将多个光纤传感器编组布设于路基的两侧，进行沉降监测，整个监测系统具有测量范围广、精度高、抗电磁干扰等特点，但发明中并未详述传感器的具体设计方案。
专利号CN102914289B发表的利用布里渊光纤传感器技术的结构挠度沉降监测系统，其原理为将成环形环绕的检测光纤布设于液位仪的内部，监测液位仪内部连接活塞浮子与底部的光纤的应变大小，反映液位以及相应的沉降大小，该专利原理基于的技术是布里渊传感器技术。
另外一种基于低相干干涉技术反映高铁沉降的系统(专利号CN103968804A)，该种光纤传感器测量系统具有测量精度极高、抗干扰性强特点。但是其主要缺陷在于低相干干涉仪的测量过程主要是利用迈克尔逊测量臂中的总光程(包括空气中的光程与光纤中的光程部分)，空气中的光程部分反映了结构的沉降。理想状态下，重力作用使液位与准直器垂直，光路可以从液位表面固定的反射镜反射回准直器，从而与信号臂中的光发生干涉作用。通过分析干涉信号可以计算空气中的光程(即相应的沉降变化)，但是当整个储液系统受到轻微的扰动就会导致光的反射方向发生较大偏差从而使反射镜无法对准准直器，导致无法测量空气中的光程，进而导致测量失败。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于新的光纤传感器技术的、精度更高、稳定性更好的沉降监测系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：包括液位仪容器，液位仪容器内设有浮筒，浮筒内设有导轨，导轨的上下两端从浮筒中露出与液位仪容器的上下表面连接；浮筒的上表面与LCI光纤传感器的信号臂连接，LCI光纤传感器的信号臂通过光纤接头与导轨连接；LCI光纤传感器的信号臂始终为受力拉直状态。
优选地，所述LCI光纤传感器的信号臂采用铠装光纤光缆。
优选地，所述LCI光纤传感器的信号臂由内层的裸光纤及外层包裹的PVC紧包层组成。
优选地，所述浮筒、导轨均为金属材质。
优选地，所述液位仪容器外壁的上部设有通气管。
优选地，所述通气管为金属通气管。
优选地，所述液位仪容器设有上盖，且上盖内设有密封圈。
优选地，所述液位仪容器的外壁侧面设有量筒。
本发明还提供了一种基于低相干干涉技术的沉降监测系统，包括依次连接的多个上述基于低相干干涉技术的液位仪，相邻液位仪的底部通过管道连通；每个液位仪上的LCI光纤传感器的信号臂通过光纤光缆与宽带光源连接，LCI光纤传感器的信号臂上设有第一耦合器；LCI光纤传感器的参考臂通过光纤光缆与信号接收处理系统连接，LCI光纤传感器的参考臂上设有第二耦合器，第一耦合器与第二耦合器之间通过光纤光缆连接；第二耦合器还连接用以反射信号的末端切平的光纤；LCI光纤传感器的参考臂与光学移动扫描平台上的反光镜相配合。
优选地，所述液位仪的外壁连接有量筒，量筒的上端与液位仪直接连接，量筒的下端通过三通与液位仪的底部连通，三通的其余两个端口用于与相邻的液位仪连通，首位或末位液位仪上三通的其余两个端口分别用于与相邻的液位仪、储液罐连接。
本发明提供的基于低相干干涉技术的沉降监测系统，可以测量不同工程结构的沉降。具体操作方法简述如下：(1)制作以低相干干涉传感器为准的液位测量传感器，并对该液位测量传感器进行光路测试；(2)将测试达到标准的液位传感器联通到一起形成串联的液位测量系统；(3)对串联到一起液位测量系统注入液体(水或者油等)使整个测量系统液位达到一致，(4)结合低相干干涉光纤传感器和相应的软件系统进行信号调试测量，对不同位置的液位传感器进行扫描，分析结果得到相应的沉降参数，该沉降监测系统的精度可以达到微米级。
本发明利用迈克尔逊低相干干涉技术，用一条受拉光纤光缆测量液位仪内部浮子的浮力大小，进而反映液位的沉降以及结构的沉降，具有较强抗电磁干扰以及测量精度高、测量范围大的特点，可以广泛的布设于不同的大型土木工程结构如隧道、地铁或铁路线路、地基、路面等等结构中，可以固定在不同结构的内部或者外部位置，测量工程结构的沉降变形。
附图说明
图1为本实施例提供的基于低相干干涉技术的液位仪的透视图；
图2为本实施例提供的基于低相干干涉技术的液位仪的剖视图；
图3为LCI光纤传感器信号臂的截面图；
图4为图3中I部分的局部放大图；
图5为本实施例提供的基于低相干干涉技术的沉降监测系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1和图2分别为本实施例提供的基于低相干干涉技术的液位仪的透视图和剖视图，所述的基于低相干干涉技术的液位仪包括带上盖1的液位仪容器6，液位仪容器6内设有浮筒4，浮筒4内设有导轨5，导轨5的上下两端从浮筒4中露出与液位仪容器6的上下表面连接；浮筒4的上表面与LCI光纤传感器的信号臂3连接，LCI光纤传感器的信号臂3通过光纤接头2与导轨5连接，LCI光纤传感器3始终为受力拉直状态。液位仪容器6外壁上部安装一个通气管，用以与大气连通。
浮筒4、导轨5均为金属材质。通气管采用金属通气管。
结合图3，LCI光纤传感器的信号臂3采用铠装光纤光缆，由内部的裸光纤8及外层包裹的PVC紧包层7组成。本实施例中，LCI光纤传感器的信号臂3的直径为1.8mm。
结合图4，液位仪容器6的上盖1内设有密封圈20。
图5为本实施例提供的基于低相干干涉技术的沉降监测系统示意图，采用多个基于低相干干涉技术的液位仪连接。
每个液位仪的外壁安装连接一个量筒10，量筒10的上端与液位仪直接连接，下端通过三通9与液位仪的底部连通，三通9的第三个端口用以与相邻的液位仪或储液罐17连通。
将各液位仪的底部依次通过管道连接，末位液位仪的底部通过管道与储液罐17连通；每个液位仪上的LCI光纤传感器的信号臂3通过光纤光缆与宽带光源(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)11连接，LCI光纤传感器的信号臂3上设有第一耦合器14；LCI光纤传感器的参考臂16通过光纤光缆与信号接收处理系统12连接，LCI光纤传感器的参考臂16上设有第二耦合器18，第一耦合器14与第二耦合器18之间通过光纤光缆连接；第二耦合器18还连接用以反射信号的末端切平的光纤19；LCI光纤传感器的参考臂16与光学移动扫描平台13上的反光镜15相配合。
LCI光纤传感器受到浮筒的拉力而产生受拉变形，受拉变形的大小与浮筒重力与浮力，以及液位的高低(浮筒排开水量)有一一对应的关系。当由LCI光纤传感器的信号臂和参考臂反射回的光的光程差低于最小相干光程Lc时，则光的干涉就会发生。LCI光纤传感器的信号臂和参考臂的光程差Δx主要由LCI光纤传感器应变变形后的光纤光程变化ΔL(ε)，以及相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)产生，如以下公式所示：
Δx＝nΔL(ε)+LΔn(ε) (1)
式中，ε代表应变变形，L为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化ΔL(ε)和相应纤芯的折射率的变化Δn(ε)分别可以由以下的公式表示：
ΔL(ε)＝Lε (2)
其中μ为泊松比，p11和p12光纤的Pockel常数。将公式(1)、(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差Δx的公式：
对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.25，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：
Δx＝1.19Lε (5)
当沉降监测系统测量沉降时，一共在结构内部布设n个液位仪监测点，大的储液罐内部的液位相当于基准点。对于一个监测点(即一个液位仪)，其内部的浮筒的重力W、浮筒受到的浮力F以及光纤传感器的拉应力TOFS在竖直方向形成力的平衡，如以下公式所示：
W＝F+TOFS (6)
浮筒的重力W不会变化，浮筒受到的浮力F可以由排开水的重力计算，即：
F＝ρwgV
V＝Ahw
其中，ρw为水的密度，V为排开水的体积，g为重力常数，A为浮筒的截面积，hw为浮筒浸入水中的距离。
TOFS＝EεA
其中，E为光纤的弹性模量。
浮筒受到的浮力F会随着液位仪与基准水位的相对位置变化而变化，相应的光纤传感器的拉应力TOFS或拉应变也会变化，因此拉应变值的大小与液位仪内部的液位一一对应。考虑以上的公式并将公式(5)带入公式(6)有：
W＝ρwgAhw+0.84EΔx/L (7)
以上公式即为LCI光纤传感器测得的光程差Δx与浮筒浸入水中的距离hw的关系，其他的参数均为常数，基于公式(7)便可以对液位仪的升降进行计算。
本实施例提供的基于低相干干涉技术的沉降监测系统使用的具体过程如下：
(1)将整个监测系统与大型的储液罐17相连接；
(2)将LCI光纤传感器的参考臂16分别与液位仪内部的每个LCI光纤传感器的信号臂3相连接；
(3)利用低相干干涉仪的参考臂与LCI光纤传感器的信号臂进行逐个测量拉伸变形的大小，因干涉仪内部的信号臂长度不变，而液位仪内部LCI光纤传感器受到液位变化影响产生拉伸或收缩，进而导致与干涉仪内部信号臂的光程差发生变化，信号臂LCI受拉传感器的参考长度为80mm，同时将信号臂的扫描的长度设置在十分接近80mm；
(4)当液位仪发生沉降时，每个液位仪会发生与初始液面的相对位置变化，则会导致公式(7)中的参数hw变化，通过低相干干涉仪测得的Δx变化反映hw变化值，从而利用初始标定的hw与沉降的关系来计算最终每个液位仪的沉降变化。

Claims (10)

1.一种基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：包括液位仪容器(6)，液位仪容器(6)内设有浮筒(4)，浮筒(4)内设有导轨(5)，导轨(5)的上下两端从浮筒(4)中露出与液位仪容器(6)的上下表面连接；浮筒(4)的上表面与LCI光纤传感器的信号臂(3)连接，LCI光纤传感器的信号臂(3)通过光纤接头(2)与导轨(5)连接；LCI光纤传感器的信号臂(3)始终为受力拉直状态。
2.如权利要求1所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述LCI光纤传感器的信号臂(3)采用铠装光纤光缆。
3.如权利要求1或2所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述LCI光纤传感器的信号臂(3)由内层的裸光纤(8)及外层包裹的PVC紧包层(7)组成。
4.如权利要求1所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述浮筒(4)、导轨(5)均为金属材质。
5.如权利要求1所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述液位仪容器(6)外壁的上部设有通气管。
6.如权利要求5所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述通气管为金属通气管。
7.如权利要求1所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述液位仪容器(6)设有上盖(1)，且上盖(1)内设有密封圈(20)。
8.如权利要求1所述的基于低相干干涉技术的液位仪，其特征在于：所述液位仪容器(6)的外壁侧面设有量筒(10)。
9.一种基于低相干干涉技术的沉降监测系统，其特征在于：包括依次连接的多个如权利要求1-8任意一项所述的基于低相干干涉技术的液位仪，相邻液位仪的底部通过管道连通；每个液位仪上的LCI光纤传感器的信号臂(3)通过光纤光缆与宽带光源(11)连接，LCI光纤传感器的信号臂(3)上设有第一耦合器(14)；LCI光纤传感器的参考臂(16)通过光纤光缆与信号接收处理系统(12)连接，LCI光纤传感器的参考臂(16)上设有第二耦合器(18)，第一耦合器(14)与第二耦合器(18)之间通过光纤光缆连接；第二耦合器(18)还连接用以反射信号的末端切平的光纤(19)；LCI光纤传感器的参考臂(16)与光学移动扫描平台(13)上的反光镜(15)相配合。
10.如权利要求9所述的基于低相干干涉技术的沉降监测系统，其特征在于，所述液位仪的外壁连接有量筒(10)，量筒(10)的上端与液位仪直接连接，量筒(10)的下端通过三通(9)与液位仪的底部连通，三通(9)的其余两个端口用于与相邻的液位仪连通，首位或末位液位仪上三通(9)的其余两个端口分别用于与相邻的液位仪和储液罐(17)连接。
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