CN106338249A - 离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法。本发明的目的是提供一种结构简单、经济实用的离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法，以获得真实可靠的试验数据。本发明的技术方案是：一种离心机振动位移场综合测试采集系统，具有离心场模型箱，该离心场模型箱内置有试验模型，其特征在于：所述离心场模型箱内装有用于监测试验模型表面位移的摄像机，该离心场模型箱内设有若干用于测量试验模型内部位移的光纤光栅位移传感器。本发明适用于岩土工程技术领域。

Description

离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法。适用于岩土工程技术领域。

背景技术

离心物理模型实验可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，而且还可以对试验中主要因素进行独立控制。与现场实测相比，可进行方案的前期优化，具有省时、省力的优点。岩土离心振动模型试验是以相似理论为理论基础，将原型材料按一定比例尺制成模型后，置于由离心机生成的离心场中，通过加大土体的体积力，使模型达到与原型相等的应力状态，从而使原型与模型的变形和破坏过程保持良好的相似性，然后通过振动台施加动荷载，并以此来研究原型的变形与破坏。

然而，在强大离心力及振动荷载作用下，常规的的位移场采集系统，会出现相机画面失真、支撑架破坏、普通位移传感器采集不到数据等问题，导致无法捕捉到到理想的模型破坏现象及采集到真实的数据，严重影响试验成果的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、经济实用的离心机振动位移场综合测试采集系统及位移测量方法，以获得真实可靠的试验数据。

本发明所采用的技术方案是：一种离心机振动位移场综合测试采集系统，具有离心场模型箱，该离心场模型箱内置有试验模型，其特征在于：所述离心场模型箱内装有用于监测试验模型表面位移的摄像机，该离心场模型箱内设有若干用于测量试验模型内部位移的光纤光栅位移传感器；

所述光纤光栅位移传感器具有监测块、细钢丝和光纤光栅固定架，其中监测块置于所述试验模型内部，监测块经细钢丝连接位于试验模型外的光纤光栅固定架，光纤光栅固定架经安装支架固定于离心场模型箱内；所述光纤光栅固定架包括等强度梁、光纤光栅和固定板，等强度梁一端连接所述细钢丝，另一端经固定板固定由于所述安装支架，该等强度梁上固定有光纤光栅，光纤光栅经光纤导线连接光纤光栅位移解调仪。

所述等强度梁沿竖向布置。

所述摄像机具有两台，其中一台经固定支架固定于所述离心场模型箱顶部，用于监测所述试验模型表面水平位移；另一台经竖向支架固定于离心场模型箱内，用于监测所述试验模型表面竖向位移。

所述摄像机采用高精度工业位移摄像机。

本发明应用所述采集系统进行采集的方法，其特征在于：

利用所述摄像机检测试验模型表面位移动态变化状况，通过两个不同监测时刻摄像点的比对得出该时间段的试验模型表面位移变化状况；

当试验模型在离心振动试验总产生变形时，试验模型内部的监测块随试验模型的变形产生位移，监测块通过细钢丝将位移传递给光纤光栅固定架，光纤光栅固定架上的光纤光栅产生应变，光纤光栅中的波长产生变化，该波长变化经光纤导线传递给光纤光栅位移解调仪，得出该监测块处的位移数据；

将摄像机测得的试验模型表面位移和光纤光栅位移传感器测得的试验模型内部位移结合，通过对已知点位移数据进行差值，得出试验模型在不同振动时刻的位移场数据。

所述光纤光栅位移传感器的位移测量数据通过下式率定得出

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2}{6l}g\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT}}{c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B0}}$

式中：Δδ为光纤光栅的位移；E为等强度梁的弹性模量，单位MPa；l、b、h分别为等强度梁的长度、宽度和厚度，单位mm。(Δλ_B-Δλ_BT)为中心波长的变化量；λ_B0为不受外力、温度为0℃时该光纤光栅的初始中心波长；c_ε分别为光弹修正系数。

本发明的有益效果是：本发明原理简单，使用设备常规，且实用、经济等优点，可有效解决目前离心机振动物理模拟试验中位移场无法进行综合测量的问题，提高测量结构的可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为实施例的剖视图。

图2为实施例的俯视图。

图3为图1中A部的放大示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例具有离心场模型箱1，该离心场模型箱内置有试验模型2。本例中在离心场模型箱1内装有用于监测试验模型2表面位移的摄像机3(采用高精度工业位移摄像机)，该离心场模型箱内设有若干用于测量试验模型2内部位移的光纤光栅位移传感器。

本例中采用两台摄像机3监测试验模型2表面位移，其中一台摄像机3通过固定支架11固定于离心场模型箱1顶部，监测下方试验模型2表面水平位移；另一台摄像机3经竖向支架固定于离心场模型箱1内，监测所述试验模型2表面竖向位移。

本例中光纤光栅位移传感器具有监测块5、直径0.5mm细钢丝6和光纤光栅固定架，光纤光栅固定架包括等强度梁7、光纤光栅9和固定板8。其中监测块5置于试验模型2内部，光纤光栅固定架位于试验模型2外部，监测块5经细钢丝6连接光纤光栅固定架上等强度梁7的一端，等强度梁7另一端通过固定板8和安装支架4固定于离心场模型箱1内(见图3)。初始状态时，等强度梁7处于竖直状态，细钢丝6处于水平状态。在等强度梁7上固定光纤光栅9，光纤光栅9经光纤导线10连接光纤光栅位移解调仪。

本实施例中位移测量的具体方法如下：

利用摄像机3监测试验模型2表面位移动态变化状况，通过两个不同监测时刻摄像点的比对得出该时间段的试验模型2表面位移变化状况；

当试验模型2在离心振动试验中产生变形时，试验模型2内部的监测块5随试验模型2的变形产生位移，监测块5通过细钢丝6将位移传递给光纤光栅固定架，光纤光栅固定架上的光纤光栅9产生应变，导致光纤光栅中的波长产生变化，该波长变化经光纤导线10传递给光纤光栅位移解调仪，光纤光栅位移解调仪通过该波长变化得出监测块5处的位移数据。其中光纤光栅位移测量数据可通过下式率定得出

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2}{6l}g\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT}}{c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B0}}$

式中：Δδ为监测块的位移；E为等强度梁的弹性模量(MPa)；l、b、h分别为等强度梁14的长度、宽度和厚度(mm)。(Δλ_B-Δλ_BT)为中心波长的变化量；λ_B0为不受外力、温度为0℃时该光栅的初始中心波长；c_ε分别为光弹修正系数，对于普通的石英光纤光栅而言，c_ε为0.78×10-6με-1。

根据摄像机3可以测得不同时刻坡体表面上不同标志点的位置，将两个不同时刻的图片进行对比，即可得出这两个时刻之间的时间段内的坡体的位移状况。将该位移状况与采用光纤光栅位移传感器5测得的坡体内部若干点的位移绘制在软件Sufer中，并基于上述已知的位移对整个边坡区域进行插值，进而得出整个坡体范围内的坡体位移状况。重复上述过程，即可得出不同时间区段内的坡体整体位移场分布特征。

Claims (6)

1.一种离心机振动位移场综合测试采集系统，具有离心场模型箱(1)，该离心场模型箱内置有试验模型(2)，其特征在于：所述离心场模型箱(1)内装有用于监测试验模型(2)表面位移的摄像机(3)，该离心场模型箱内设有若干用于测量试验模型(2)内部位移的光纤光栅位移传感器；

所述光纤光栅位移传感器具有监测块(5)、细钢丝(6)和光纤光栅固定架，其中监测块(5)置于所述试验模型(2)内部，该监测块经细钢丝(6)连接位于试验模型(2)外的光纤光栅固定架，光纤光栅固定架经安装支架(4)固定于离心场模型箱(1)内；所述光纤光栅固定架包括等强度梁(7)、光纤光栅(9)和固定板(8)，等强度梁(7)一端连接所述细钢丝(6)，另一端经固定板(8)固定由于所述安装支架(4)，该等强度梁上固定有光纤光栅(9)，光纤光栅(9)经光纤导线(10)连接光纤光栅位移解调仪。

2.根据权利要求1所述的离心机振动位移场综合测试采集系统，其特征在于：所述等强度梁(7)沿竖向布置。

3.根据权利要求1所述的离心机振动位移场综合测试采集系统，其特征在于：所述摄像机(3)具有两台，其中一台经固定支架(11)固定于所述离心场模型箱(1)顶部，用于监测所述试验模型(2)表面水平位移；另一台经竖向支架固定于离心场模型箱(1)内，用于监测所述试验模型(2)表面竖向位移。

4.根据权利要求1或3所述的离心机振动位移场综合测试采集系统，其特征在于：所述摄像机(3)采用高精度工业位移摄像机。

5.应用权利要求1所述采集系统进行位移测量的方法，其特征在于：

利用所述摄像机(3)监测试验模型(2)表面位移动态变化状况，通过两个不同监测时刻摄像点的比对得出该时间段的试验模型(2)表面位移变化状况；

当试验模型(2)在离心振动试验中产生变形时，试验模型(2)内部的监测块(5)随试验模型(2)的变形产生位移，监测块(5)通过细钢丝(6)将位移传递给光纤光栅固定架，光纤光栅固定架上的光纤光栅(9)产生应变，光纤光栅中的波长产生变化，该波长变化经光纤导线(10)传递给光纤光栅位移解调仪，光纤光栅位移解调仪得出该监测块处的位移数据；

将摄像机(3)测得的试验模型(2)表面位移和光纤光栅位移传感器测得的试验模型(2)内部位移结合，通过对已知点位移数据进行差值，得出试验模型在不同振动时刻的位移场数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述光纤光栅位移解调仪的位移数据通过下式率定得出

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^2}{6l}g\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT}}{c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B0}}$

式中：Δδ为监测块(5)的位移；E为等强度梁(7)的弹性模量，单位MPa；l、b、h分别为等强度梁(7)的长度、宽度和厚度，单位mm。(Δλ_B-Δλ_BT)为中心波长的变化量；λ_B0为不受外力、温度为0℃时该光纤光栅的初始中心波长；c_ε分别为光弹修正系数。