CN105910580A - 一种分布式光纤光栅测斜装置及测斜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤光栅测斜装置及测斜方法。所述分布式光纤光栅测斜装置包括内连接管，固定在内连接管内的光纤光栅倾角传感器，以及与光纤光栅倾角传感器相连的光缆；所述光纤光栅倾斜传感器包括有具有内腔的基座，第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述基座顶部固定有悬臂摆，下端为自由端的悬臂摆上固定有第一光纤光栅；所述基座下部固定有第二光纤光栅，该第二光纤光栅悬空设置，且第二光纤光栅的两端固定在所述基座上；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光缆串接相连。本发明能抗电磁干扰、实现精确地远程实时监测。

Description

一种分布式光纤光栅测斜装置及测斜方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤光栅测斜装置及测斜方法，属于传感检测领域。

背景技术

倾斜监测在高陡边坡、高层建筑等领域非常重要，可根据到倾斜值来分析监测对象的稳定状态。传统的电磁信号类倾角测量仪器存在着信号抗电磁干扰差、引线不宜远距离传输、多个传感器测点之间引线过多等缺陷，导致在对位于野外环境中的边坡、铁塔等的倾斜测量时，需要工作人员携带仪器定时奔赴现场开展监测，费时费力，且无法实时监测，这对工作人员的工作效率和监测结果的有效性都极为不利。

光纤光栅传感具备抗电磁干扰，信号可远距离传输等优势，基于光纤光栅传感的测斜技术发展迅速，现有的方法是将多个光纤光栅沿着一根圆柱杆的轴向长度方向等距离地分布式粘贴在圆柱杆的外表面，将粘贴有光纤光栅的圆柱杆竖直埋入边坡或者绑在高层建筑上，圆柱杆随着边坡或者高层建筑的弯曲而产生表面应变，光纤光栅测量应变，再将光栅测量的应变由理论力学和材料力学知识反推出圆柱杆的倾斜情况，这种方法的缺陷是，没法对布置有光纤光栅的圆柱杆开展标定测试，只是根据理论来反推出倾斜，误差较大。

发明内容

本发明旨在提供一种分布式光纤光栅测斜装置，该测斜装置能抗电磁干扰、精确地实现远程实时监测。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种分布式光纤光栅测斜装置，其结构特点是，包括内连接管，固定在内连接管内的光纤光栅倾角传感器，以及与光纤光栅倾角传感器相连的光缆；所述光纤光栅倾斜传感器包括有具有内腔的基座，第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述基座顶部固定有悬臂摆，下端为自由端的悬臂摆上固定有第一光纤光栅；所述基座下部固定有第二光纤光栅，该第二光纤光栅悬空设置，且第二光纤光栅的两端固定在所述基座上；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过光缆串接相连。

由此，所述第一光纤光栅用于测量倾斜角度，第二光纤光栅为第一光纤光栅提供温度补偿，由此，这种测斜装置能抗电磁干扰、实现精确地远程实时监测。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

作为一种具体的结构形式，所述基座内自上而下具有第一台阶、第二台阶和第三台阶；所述第一光纤光栅的顶端固定在所述第一台阶上，所述第二光纤光栅的两端分别固定在相应的第二台阶和第三台阶上，且第二光纤光栅的主体悬空设置在第二台阶和第三台阶之间。进一步地，基座外设有盖板，所述盖板上设有与基座上的密封螺纹孔一一对应的盖板孔，利用螺钉将所述盖板固定于所述基座上，实现密封。

为了保护光缆，所述内连接管的两端固定套接有相应的外套管。由此，光缆位于外套管内，得到外套管的保护，光缆不易损坏。优选地，所述外套管两端设有通孔，所述内连接管上设有固定孔，所述内连接管可自由放入所述外套管内，多根外套管可通过内连接管和自攻螺丝串联连接。

优选地，所述悬臂摆包括悬臂梁和重物，该悬臂梁和重物为一体式结构。悬臂梁用于在被测对象倾斜时随之一同倾斜。

优选地，该第一光纤光栅通过胶黏剂粘贴于所述悬臂梁的表面；所述第二光纤光栅的两端通过胶黏剂固定于所述第二台阶和所述第三台阶的上表面。

进一步地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅串联于同一根光纤上。

为了进一步实现多点同时测量，多个光纤光栅倾斜传感器通过所述光缆串联连接。由此，多个倾斜测点可串联在一起、实现远程实时监测。

为了提高测量精度，所述基座整体包括水平段和竖直段而呈倒L型，该基座的水平段朝向被测对象主要的倾斜方向。这样设置的主要目的是为了更好地使悬臂摆的悬臂梁发生弯曲，从而测量更方便且准确度最高。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用上述分布式光纤光栅测斜装置对边坡或高层建筑进行测斜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）现场实时监测前标定光纤光栅倾斜传感器，倾斜作用传递到悬臂摆上使悬臂摆弯曲，第一光纤光栅受到弯曲应变的作用，波长产生变化，测试标定出第一光纤光栅的波长变化量与倾斜角度的对应关系；

2）通过标定得出第一光纤光栅和第二光栅传感器的温度灵敏度比值K，将第一光纤光栅传感器的波长变化量减去K倍的第二光栅传感器的波长变化量，得出了由倾斜引起的第一光纤光栅的波长变化量；

3）现场实时监测时，将监测到的剔除温度影响后仅被测对象倾斜引起的光纤光栅倾斜传感器中第一光纤光栅的波长变化量，结合步骤1）中的第一光纤光栅的波长变化量与倾斜角度的对应关系，即可得出的被测对象的倾斜角度。

优选地，所述被测对象为边坡或高层建筑。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：光纤光栅倾斜传感器固定在内连接管中并通过光缆串接，减少了信号引线数量；光缆可事先将多个光纤光栅传感器和内连接管串接在一起，在施工时便可逐一将带有传感器的内连接管放入外套管中，再将外套管连接，便于现场施工；将多个光纤光栅倾斜传感器、内连接管、外套管装配完毕后，安装到监测对象中，将引出信号光缆远距离铺设至监测站，可实现各个光纤光栅倾斜传感器测点的实时监测；与现有的人工通过缆绳将单个传感器依次放入边坡或者建筑物的不同深度处测得沿着不同位置处的倾斜值相比较，实时监测更加便利；而且每个传感器都可以在实验室标定测试，如现有的直接在圆柱杆上粘贴光栅并通过理论反推得到倾斜的方法相比较，标定测试后的传感器测量结果更加准确。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2为外套管结构示意图；

图3为内连接管结构示意图；

图4为内部安装图；

图5为光纤光栅倾斜传感器零件图；

图6为基座后视图；

图7为光纤光栅的布置示意图；

图8为光纤光栅倾斜传感器的倾斜标定测试结果图。

在图中：

1、外套管；1-1、通孔；2、内连接管；2-1、固定孔；3、光纤光栅倾斜传感器；4、光缆；3-1、基座；3-2、悬臂摆；3-3、盖板；3-4、出纤孔；3-5、内螺纹孔；3-6、密封螺纹孔；3-7、第一台阶；3-8、第二台阶；3-9、第三台阶；3-10、盖板孔；3-11、外螺纹孔；3-12、第一光纤光栅；3-13、第二光纤光栅。

具体实施方式

一种分布式光纤光栅测斜装置，如图1至图7所示，包括外套管1、内连接管2、光纤光栅倾斜传感器3和光缆4。光纤光栅倾斜传感器3包括基座3-1、悬臂摆3-2和盖板3-3，所述悬臂摆3-2由一体加工的悬臂梁和重物组成，第一光纤光栅3-12和第二光纤光栅3-13刻写于同一根光纤上，将第一光纤光栅3-12通过胶黏剂粘贴于所述悬臂梁表面，悬臂摆3-2通过螺钉固定在内螺纹孔3-5上，再将第二光纤光栅3-13两端分别使用胶黏剂固定在第二台阶3-8和第三台阶3-9的上表面，位于第二台阶3-8和第三台阶3-9之间的第二光纤光栅3-13处于自由悬空状态，第一光纤光栅3-12、第二光纤光栅3-13的尾端光纤经过出纤孔3-4引出。最后盖上盖板3-3，采用螺钉穿过盖板孔3-10后拧入密封螺纹孔3-6。多个光纤光栅倾斜传感器3的尾端光纤与光缆4熔接，实现多个光纤光栅倾斜传感器3的连接。将光纤光栅倾斜传感器3放置于内连接管2内，采用两个螺钉穿过内连接管2上的固定孔2-1后拧入外螺纹孔3-11，实现将光纤光栅倾斜传感器3固定在内连接管2内。多个外套管1经过自攻螺丝穿过通孔1-1进入内连接管2的管壁内后固定连接，形成一根分布式测点的光纤光栅测斜装置。装配好的分布式光纤光栅测斜装置可以竖直埋入高边坡内部、捆绑在高层建筑或者铁塔上，分布式光纤光栅测斜装置随着被测对象的倾斜而倾斜。

实时监测之前，通过倾斜测试标定光纤光栅倾斜传感器3，倾斜作用传递到悬臂摆3-2上，悬臂摆3-2端部的重物的重力沿倾斜角度的分力引起悬臂梁的弯曲，第一光纤光栅3-12受到弯曲应变的作用，波长产生变化，测试标定出第一光纤光栅3-12的波长变化量与倾斜角度的对应关系，通过温度测试标定得出第一光纤光栅3-12和第二光栅传感器3-13的温度灵敏度比值K，将第一光纤光栅传感器3-12的波长变化量减去K倍的第二光栅传感器3-13的波长变化量，剔除温度变化引起的第一光纤光栅3-12的波长变化量，即得出了由倾斜引起的第一光纤光栅3-12的波长变化量。

现场实时监测到的剔除温度影响后仅被测对象倾斜引起的光纤光栅倾斜传感器3中第一光纤光栅3-12的波长变化量，结合标定测试得到的第一光纤光栅3-12的波长变化量与倾斜角度的对应关系(图8)，即可反推出的被测对象在该测点的倾斜角度，然后结合所有测点测量得出的倾斜角度，就可以得到被测对象沿高度方向的整体倾斜情况。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1. 一种分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，包括内连接管（2），固定在内连接管（2）内的光纤光栅倾角传感器（3），以及与光纤光栅倾角传感器（3）相连的光缆（4）；所述光纤光栅倾斜传感器（3）包括有具有内腔的基座（3-1），第一光纤光栅（3-12）和第二光纤光栅（3-13）；所述基座（3-1）顶部固定有悬臂摆（3-2），下端为自由端的悬臂摆（3-2）上固定有第一光纤光栅（3-12）；所述基座（3-1）下部固定有第二光纤光栅（3-13），该第二光纤光栅（3-13）悬空设置，且第二光纤光栅（3-13）的两端固定在所述基座（3-1）上；所述第一光纤光栅（3-12）和第二光纤光栅（3-13）通过光缆（4）串接相连。

2. 根据权利要求1所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述基座（3-1）内自上而下具有第一台阶（3-7）、第二台阶（3-8）和第三台阶（3-9）；所述第一光纤光栅（3-12）的顶端固定在所述第一台阶（3-7）上，所述第二光纤光栅（3-13）的两端分别固定在相应的第二台阶（3-8）和第三台阶（3-9）上，且第二光纤光栅（3-13）的主体悬空设置在第二台阶（3-8）和第三台阶（3-9）之间。

3. 根据权利要求2所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述内连接管（2）的两端固定套接有相应的外套管（1）。

4. 根据权利要求2所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述悬臂摆（3-2）包括悬臂梁和重物，该悬臂梁和重物为一体式结构。

5. 根据权利要求4所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，该第一光纤光栅（3-12）通过胶黏剂粘贴于所述悬臂梁的表面；所述第二光纤光栅（3-13）的两端通过胶黏剂固定于所述第二台阶（3-8）和所述第三台阶（3-9）的上表面。

6. 根据权利要求1-5之一所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述第一光纤光栅（3-12）和第二光纤光栅（3-13）串联于同一根光纤上。

7. 根据权利要求1-5之一所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，多个光纤光栅倾斜传感器（3）通过所述光缆（4）串联连接。

8. 根据权利要求1-5之一所述的分布式光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述基座（3-1）整体包括水平段和竖直段而呈倒L型，该基座（3-1）的水平段朝向被测对象主要的倾斜方向。

9. 一种利用权利要求1-8之一所述分布式光纤光栅测斜装置对被测对象进行测斜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）现场实时监测前标定光纤光栅倾斜传感器（3），倾斜作用传递到悬臂摆（3-2）上使悬臂摆（3-2）弯曲，第一光纤光栅（3-12）受到弯曲应变的作用，波长产生变化，测试标定出第一光纤光栅（3-12）的波长变化量与倾斜角度的对应关系；

2）通过标定得出第一光纤光栅（3-12）和第二光栅传感器（3-13）的温度灵敏度比值K，将第一光纤光栅传感器（3-12）的波长变化量减去K倍的第二光栅传感器（3-13）的波长变化量，得出了由倾斜引起的第一光纤光栅（3-12）的波长变化量；

3）现场实时监测时，将监测到的剔除温度影响后仅被测对象倾斜引起的光纤光栅倾斜传感器（3）中第一光纤光栅（3-12）的波长变化量，结合步骤1）中的第一光纤光栅（3-12）的波长变化量与倾斜角度的对应关系，即可得出的被测对象的倾斜角度。

10. 根据权利要求9所述对被测对象进行测斜的方法，其特征在于，所述被测对象为边坡或高层建筑。