CN106482642B - 利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置 - Google Patents

利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，包括：多个单位光纤光栅传感器模块，上述多个单位光纤光栅传感器模块具有预先设定的长度，并连续地相连接来使用；各单位光纤光栅传感器模块包括：光纤光栅应变传感器，设置于保护管的内部，用于检测长度变化；设置部件，并排设置于上述保护管的一侧；以及光纤光栅角位移传感器，设置于上述设置部件上，用于测定角位移，本发明持续测量二维或三维的收敛位移及顶部沉降，从而获得如下效果：可在测定对象物连续地设置多个单位光纤光栅传感器模块，来测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，从而可以精确地测定收敛位移及顶部沉降。

Description

利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置
技术领域
本发明涉及利用光纤光栅传感器(FIBER BRAGG GRATING SENSOR)的收敛位移及顶部沉降测定装置，更详细地，涉及在隧道施工中及在维护管理步骤中实时测定收敛位移及顶部沉降的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置。
背景技术
当测定隧道的收敛位移时，在剖面上仅测定长度方向的变化的情况下，在衬砌的变形特性上，由于在发生变形之后无法得知坐标的方向性，因而具有在得知隧道是否收缩或膨胀之前难以测量精确的收敛位移的问题。
因此，以往的隧道收敛位移及顶部沉降测定方法使用了贯通隧道的衬砌并填埋测定传感器，来判断是否发生膨胀或收缩，或者在使用用于测定收敛位移的位移传感器和角度传感器来测定长度变化量和角度变化量之后，组合两个测定结果来换算成收敛位移的方式。
其中，作为后者的电气式传感器系统以互不相同的测定方式测定长度变化和角度的两种值，因而由两种传感器的互不相同的测定精密度来左右收敛位移的准确性，并且由于使用两种传感器，因而导致数值收集装置变得复杂，其测定费用核定得相对高。
并且，在传感器的准确度中，在测定长度为1m的情况下，对长度变化的分辨率主要使用1/100mm、角度主要使用1/100度，因而在测定微细变形方面存在局限性。
并且，随着受到电磁波的影响而导致测量可靠性降低，当地铁等处于运行状态时，存在无法进行测量的非常脆弱的问题。
为了解决这种问题，本申请人在以下专利文献1及专利文献2等多个文献中公开了利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定技术并获得注册。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：韩国特许登录号第10-0857306号(2008年9月5日公告)
专利文献2：韩国特许登录号第10-0796161号(2008年1月21日公告)
但是，随着在平面上设置光纤光栅传感器，包括专利文献1及专利文献2的现有技术的收敛沉降及顶部沉降测定装置对二维(2D)及三维(3D)测定精密度方面存在局限性。
并且，现有技术的收敛沉降及顶部沉降测定装置在设置过程中，在因形成于所要设置的对象物的干涉物而产生游隙的情况下，存在难以设置，且测定值的精密度显著降低的问题。
并且，随着在应变传感器上设置角位移传感器，现有技术的收敛沉降及顶部沉降测定装置存在因角位移传感器的载荷而对长度位移的测定值产生误差的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题而提出，本发明的目的在于，提供可在隧道施工中及维护管理时精确地测定收敛位移及顶部沉降的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置。
本发明的另一目的在于，提供在进行隧道内设置作业时，即使发生游隙，也可以调节用于固定传感器模块的固定单元的设置位置及设置角度，从而可提高所测定的数据的可靠性的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置。
为了实现上述目的，本发明的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的特征在于，
包括：多个单位光纤光栅传感器模块，上述多个单位光纤光栅传感器模块具有预先设定的长度，并连续地相连接来使用；各单位光纤光栅传感器模块包括：光纤光栅应变传感器，设置于保护管的内部，用于检测长度变化；设置部件，并排设置于上述保护管的一侧；以及光纤光栅角位移传感器，设置于上述设置部件上，用于测定角位移，
并持续测量二维或三维的收敛位移及顶部沉降。
本发明的特征在于，还包括：底座，分别设置于各单位光纤光栅传感器模块的两端，用于连接相邻的单位光纤光栅传感器模块；以及固定部件及固定单元，用于将上述保护管和设置部件的两端分别固定于上述底座，在上述保护管的两端以能够沿着上述保护管移动的方式设有结合件，用于能够根据各底座间的距离及底座的设置角度来调节上述光纤光栅应变传感器的设置距离及设置角度，上述结合件以插入方式固定于上述底座和固定部件之间。
本发明的特征在于，上述设置部件设置成杆形状的轨道，上述设置部件的两端分别与第一连杆和第二连杆连接，用于能够根据各底座间的距离及底座的设置角度来调节上述设置部件的设置距离及设置角度。
本发明的特征在于，上述第一连杆的一端以可向左右方向旋转的方式与上述设置部件的一端相结合，上述第一连杆的另一端以可向上下方向旋转的方式与上述固定单元相结合。
本发明的特征在于，上述第二连杆的一端以可向左右方向旋转的方式与上述设置部件的另一端相结合，在上述第二连杆的另一端设有可向上述第二连杆移动的结合件。
本发明的特征在于，上述固定单元包括：第一支架，固定于上述底座；以及第二支架，与上述第一支架的一侧相结合，并以可向上下方向旋转的方式固定与上述设置部件相结合的第一连杆，在上述第二支架形成有连接轴，上述连接轴插入于形成在上述第一连杆的轴孔。
本发明的特征在于，在上述底座分别结合有一对固定部件和固定单元，用于可一同设置相邻的一对单位光纤光栅传感器模块。
如上所述，根据本发明的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，具有如下效果：可在测定对象物连续地设置多个单位光纤光栅传感器模块，来测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，从而可精确地测定收敛位移及顶部沉降。
并且，根据本发明，具有如下效果：完全没有电磁波的影响，且测量分辨能力非常优秀，从而可利用测量可靠性高的光纤光栅应变传感器及角位移传感器来测定收敛位移及顶部沉降。
并且，根据本发明，提供可进行持续的安全诊断，并可利用一个系统来一同测定长度位移和角位移的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定方法。
并且，根据本发明，具有如下效果：在保护管上设置应变传感器，并与应变传感器并排设置角位移传感器来在现有的保护管上设置角位移传感器的情况下，防止由角位移传感器的载荷引起的误差，从而可提高测定精密度。
并且，根据本发明，具有如下效果：即使在基于隧道的顶部形状的底座的设置距离及角度方面产生游隙，也可以调节应变传感器及设置部件的设置距离及设置角度来补偿游隙，从而可稳定地设置各传感器。
由此，根据本发明，具有如下效果：完全克服作为现有的电气系统的缺点的电磁波的影响，从而可持续测量一直无法测定的运行中的地铁的隧道收敛位移，因光纤光栅传感器的优秀的特性而可提高精密度，并且可利用一束光纤来最多可串联40多个传感器，从而与现有的电气化系统相比，可设置于更小的空间。
并且，根据本发明具有如下效果：随着测量光纤光栅传感器的固有的反射波长，因测定方法相同而可利用一个测量系统来进行持续的安全诊断，并且可测量相对于土木建筑物的初始值的累积变形。
附图说明
图1为本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的立体图。
图2及图3分别为图1所示的单位光纤光栅传感器模块的放大立体图及局部放大立体图。
图4为按步骤说明本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的测定方法的工序图。
图5为在隧道安装有利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的状态的示例图。
图6为用于说明隧道收敛位移及顶部沉降的矢量dx、dy的测定原理的示例图。
图7为用于说明衬砌的收敛位移及顶部沉降的绝对坐标方式的测量原理的示例图。
图8为用于说明衬砌的收敛位移及顶部沉降的相对坐标方式的测量原理的示例图。
符号说明
10-光纤光栅传感器模块，20-应变传感器，21-保护管，22-结合件，30-设置部件，31、32-第一连杆、第二连杆，33-插入槽，34-轴孔，35-结合件，40-角位移传感器，41-结合部件，50-底座，51-固定部件，52-固定单元，53、54-第一支架、第二支架，55-连接轴。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置及测定方法进行详细说明。
图1为本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的立体图，图2及图3分别为图1所示的单位光纤光栅传感器模块的放大立体图及局部放大立体图。
如图1所示，本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置包括多个单位光纤光栅传感器模块(以下称为“传感器模块”)10，上述多个单位光纤光栅传感器模块10具有预先设定的长度，并连续地相连接来使用
如图1至图3所示，各传感器模块10包括：光纤光栅应变传感器(以下称为“应变传感器”)20，设置于保护管21的内部，用于检测长度变化，上述保护管21由剖面呈四角形状或圆形状的管形成；设置部件30，并排设置于保护管21的一侧；以及光纤光栅角位移传感器(以下称为“角位移传感器”)40，设置于设置部件30上，用于测定角位移。
并且，各传感器模块10还可包括：底座50，分别设置于各传感器模块10的两端，用于连接相邻的传感器模块10；以及固定部件51和固定单元52，用于将保护管21和设置部件30的两端分别固定于底座50。
由此，各传感器模块10可以分别连续地设置于底座50，并具有独立的坐标来连续地设于隧道等的内部剖面。
例如，各传感器模块10的长度可以为约1m。
并且，为了测定长度位移，应变传感器20可具有约1/10000000的分辨能力，并且角位移传感器40可具有约1/1000度的分辨能力。
如图2所示，应变传感器20在保护管21的内部的底座50和底座50之间向长度方向横穿设置，可在应变传感器20的两端设有结合件22，上述结合件22可分别沿着保护管21移动，并以插入方式固定于底座50和固定部件51之间。
结合件22可大致呈球形，可在结合件22的中心部形成有用于插入保护管21的贯通孔。
由此，本发明可以根据所要设置的底座之间的距离及设有底座的角度，使结合件沿着保护管移动，来调节位置之后，使球形状的结合件固定于底座和固定部件之间，从而调节应变传感器的设置位置及设置角度。
设置部件30可设置成大致呈杆形状的轨道，并且可在设置部件30的两端分别连接有第一连杆31和第二连杆32。
可在设置部件30的两端形成有从侧面观察时大致呈“匚”形状的插入槽33。
在第一连杆31的一端插入于插入槽33的状态下，第一连杆31借助固定销来固定于设置部件30。
其中，第一连杆31和设置部件30能够以固定销为中心向左右方向进行旋转。
在第一连杆31的另一端横向形成有轴孔34，在轴孔34插入有连接轴55，上述连接轴55形成于用于在底座50固定第一连杆31的固定单元52。
因而，第一连杆31能够以连接轴55为中心向上下方向旋转。
由此，在与设置部件30的一端，即，图2所示的右侧端相结合的状态下，第一连杆31能够以固定销为中心向左右方向旋转，在与固定单元52相结合的状态下，第一连杆31能够以连接轴55为中心向上下方向旋转。
第二连杆32呈与第一连杆31的形状类似的形状，只是，可在第二连杆32的外侧端，即，图2所示的后侧端结合有与上述的结合件22相同的形状及功能的结合件35。
即，第二连杆32可借助结合件35来调节设置角度，并可向设置部件33的一端，即，图2所示的后侧端和左右方向旋转。
像这样，本发明在设置部件的两端分别设置第一连杆和第二连杆，并且在利用第二连杆来以可向左右方向进行旋转的方式固定设置部件的一端的状态下，可利用第一连杆来以可向左右及上下方向旋转的方式固定设置部件的另一端。
由此，设置部件30可根据测定对象物的位移来改变角度。
角位移传感器40大致可呈长方体形状，并可以沿着设置部件30来移动及旋转。
在设置部件30的外侧结合有可滑移的结合部件41，并且角位移传感器40以能够旋转的方式借助固定螺栓来与结合部件41相结合。
即，随着以可沿着设置部件移动的方式设置角位移传感器，本申请可去除由测定对象物的形状引起的干涉。
可在这种角位移传感器40的一侧面标有基于旋转方向的波长的增减方向(+、－)，以便可容易确认基于角位移传感器40的设置角度的波长的变化。
并且，可在角位移传感器40的一侧设有固定部件，上述固定部件用于固定重锤，上述重锤用于向设置于角位移传感器40的内部的光纤光栅传感器施加载荷。
上述固定部件可设置成固定螺栓，上述固定螺栓用于防止在角位移传感器40的设置过程中由上述重锤的流动导致的光纤光栅传感器的损伤或故障而固定。
因而，可在角位移传感器40的一侧面标有基于上述固定部件的旋转方向的重锤的固定方向、解除方向(stop、play)。
底座50大致由呈长方体形状的框设置而成，当从正面观察时，固定部件51剖面大致可呈“”形状。
在固定部件51与底座50相结合的状态下，可在底座50的上部面和固定部件51的下部形成有固定槽，上述固定槽用于固定设置于应变传感器20的结合件22。
上述固定槽大致呈与结合件22的形状相对应的形状，上述固定槽的直径可略小于结合件22的直径，以便可使结合件22发生变形来稳定地进行固定。
另一方面，可在底座50分别结合有一对固定部件51和固定单元52，以便可设置相邻的一对传感器模块10。
固定单元52可包括：第一支架53，固定于上述底座50；以及第二支架54，与第一支架53的一侧相结合，并以可向上下方向旋转的方式固定与上述设置部件30相结合的第一连杆31。
第一支架53起到固定在两侧分别相邻的传感器模块10的各第一连杆31和第二连杆32的功能。
为此，第一支架53两端可分别与第一连杆31及第二连杆32的前端形状相对应来形成，使得第一支架53的一侧，即，图2所示时的左侧与第一连杆31相结合，右侧与第二连杆32相结合。
当从前面观察时，第二支架54的右侧可以开放并使剖面大致呈“匚”形状，可在第二支架54的中心部形成有连接轴55。
由此，第一连杆31能够以第二支架54的连接轴55为中心向上下方向旋转。
然后，对本发明的优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的测定方法进行详细说明。
图4为按步骤说明本发明优选实施例的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的测定方法的工序图。
并且，图5为在隧道安装有利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的状态的示例图，图6为用于说明隧道收敛位移及顶部沉降的矢量dx、dy的测定原理的示例图。
首先，沿着作为测定对象物的隧道的顶部，以向长度方向延伸的方式连接传感器模块，来与衬砌的长度相匹配地进行设计、设置。
即，在图4的S12步骤中，以沿着隧道的顶部与各传感器模块10的长度相对应的方式每隔规定距离设置底座50，并且在一对底座50之间设置应变传感器20、设置部件30及角位移传感器40。
此时，在根据隧道的顶部的形状产生底座50的设置游隙的情况下，应变传感器20可使结合件22的位置移动，从而可以与设置游隙无关地进行稳定设置。
并且，设置部件30可先固定结合有第二连杆32的一端部，并且依次固定结合有第一连杆31的另一端部来设置。
由此，随着设置部件30能够以与第二连杆32相结合的固定销为中心向左右方向旋转，并且能够以与第一连杆31相结合的固定销及固定单元52的连接轴55为中心分别向左右方向及上下方向旋转，可补偿各底座50之间的设置距离及设置角度的游隙，从而可以稳定地进行设置。
由此，角位移传感器40以可移动的方式设置于设置部件30上，并设置于可使基于隧道顶部的干涉最小化的位置，并且可精确地测定出基于隧道的收敛位移及顶部沉降的角位移。
例如，随着传感器模块10的长度大约被设置为1m，如图5所示，A点为观测点，B点成为测量点。
即，在图5及图6中，当B为测量点时，A为观测点，当B为观测点时，C成为测量点，若衬砌发生变形来使B点～D点移动，则由新的坐标B’～D’构成，而A坐标不变。
在传感器模块10中，测量衬砌变形的基本原理根据求得收敛位移的方法而具有“绝对坐标方式”和“相对坐标方式”。
图7为用于说明衬砌的收敛位移及顶部沉降的绝对坐标方式的测量原理的示例图，图8为用于说明衬砌的收敛位移及顶部沉降的相对坐标方式的测量原理的示例图。
在绝对坐标方式的测量法中，如图7所示，收敛位移为变形之后的中点坐标和变形之前的中点坐标的移动距离。
因此，必须得掌握基于变形的变形之前的测量点的坐标。
相反，如图8所示，在相对坐标方式中，利用基于变形产生的长度变形和角度变形来与坐标无关地对一时刻的变化将借助三角函数关系的曲率变化Δf值作为收敛位移。
另一方面，在绝对坐标方式中，在一剖面的延续的传感器模块10中，与中间相对应的传感器模块10发生故障的情况下，有可能发生未生成新的坐标或由传感器模块10的误操作导致的误差值的传递导致的问题。
相反，在相对坐标方式中，随着在上述的情况下，各传感器模块10独立地进行测量，与正常传感器模块10相比，可求出所有收敛位移，但在由数学缩值角度变形微小的情况下，具有其准确性。
以下，对绝对坐标方式的测量法进行更详细的说明如下：如图7所示，当沿着隧道剖面的顶部在S1～S4设置用于测定隧道的剖面变形的传感器模块10时，在发生剖面变形的情况下，坐标点的移动呈现B’～D’坐标，并且受到现有传感器模块10的坐标移动的影响。
观察设置于S1区间的传感器模块10的情况如下：因没有现有传感器模块10，因而可仅用dx(b)、dy(b)成分表示从B向B’的移动。
通过各传感器模块10的设置点的设计，已知各设置坐标点(A～D)，如在下面的数学式1所记载，可根据基于θb和Lb的三角函数来求出变形坐标点B’(Xb’，Yb’)。
数学式1：
Xb′＝Xa+Cos(θ′b)×L′b
Yb′＝Ya+Sin(θ′b)×L′b
其中，θ’b＝θb+Δθb，L’b＝Lb+ΔLb。
因此，可根据数学式2，并利用B(Xb，Yb)和B’(Xb’，Yb’)来求出dx、dy。
数学式2：
dx(b)＝Xb′-Xb
dy(b)＝Yb′-Yb
最终，可根据数学式2求出Δθb和ΔLb，并得到在B点的隧道的剖面变化。
设置于S2区间的传感器模块10的单纯的变形为从C向C’的移动，并且C’坐标为在C’坐标中加上作为S1的从B向B’点的移动成分的dx(b)、dy(b)的值。
数学式3：
Xc′＝Xb′+Cos(θ′c)×L′c
Yb′＝Yb′+Sin(θ′c)×L′c
dx(c′)＝Xc′-Xc
dy(c′)＝Yc′-Yc
由此，如数学式3，可求出C’点，并且可以以相同的方式求出其他D’、E’坐标。
并且，使用传感器模块10来借助相对坐标方式的衬砌变形的测量法如下。
在图8中，曲率变化Δf和h’、h如以下数学式4，并将此作为收敛位移来求出轴力及弯曲力矩。即，若求出各Δθ和ΔL，则在各传感器模块10中求出各坐标和独立的收敛位移值。
数学式4：
在绝对坐标方式及相对坐标方式的测量原理中，只要最终在各传感器模块10求出Δθ和ΔL即可。
图1的传感器模块10具有A部和B部、A’部，B部的两端分别内插于A部、A’部，传感器模块10的一端使用螺栓等的紧固部件来和A部固定成一体，传感器模块10的另一端为以插入于A’部的状态仅向长度方向可相互滑动的连接结构，基于剖面变形的坐标点的移动距离借助应变传感器20准确地求出ΔL值(步骤S14)。
并且，基于剖面变形的前后运动借助角位移传感器40求出Δθ值(步骤S16)。
除了上述说明的二维收敛位移测定方法之外，根据需要，可利用类似的方法来测量三维收敛位移。
即，若以二轴角位移传感器交替用于测定二维收敛位移的一轴角位移传感器，则可测量三维收敛位移。
在二轴角位移传感器的情况下，若以相互隔开90度的方式将两个一轴FBG角位移传感器固定成一体，则成为二轴角位移传感器。
由此，在现有的为了二维收敛位移的测量而设置的状态下，若再追加设置一个一轴角位移传感器，则可测量三维收敛位移。
通过如上所述的过程，本发明可在隧道等的测定对象物连续地设置多个单位光纤光栅传感器模块，来测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，从而可以精确地测定收敛位移及顶部沉降。
产业上的可利用性
本发明适用于可在测定对象物连续地设置多个单位光纤光栅传感器模块，来测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，从而精确地测定收敛位移及顶部沉降的技术。

Claims (6)

1.一种利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，包括多个单位光纤光栅传感器模块，上述多个单位光纤光栅传感器模块具有预先设定的长度，并连续地相连接来使用，
各单位光纤光栅传感器模块包括：
光纤光栅应变传感器，设置于保护管的内部，用于检测长度变化；
设置部件，并排设置于上述保护管的一侧；
光纤光栅角位移传感器，设置于上述设置部件上，用于测定角位移；
底座，分别设置于各单位光纤光栅传感器模块的两端，用于连接相邻的单位光纤光栅传感器模块；以及
固定部件及固定单元，用于将上述保护管和设置部件的两端分别固定于上述底座，
持续测量二维或三维的收敛位移及顶部沉降，
所述利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置的特征在于，
在上述保护管的两端以能够沿着上述保护管移动的方式设有结合件，用于能够根据各底座间的距离及底座的设置角度来调节上述光纤光栅应变传感器的设置距离及设置角度，上述结合件呈球形，且在上述结合件的中心部形成有用于插入上述保护管的贯通孔，
上述结合件以插入方式固定于上述底座和固定部件之间。
2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，其特征在于，
上述设置部件设置成杆形状的轨道，
上述设置部件的两端分别与第一连杆和第二连杆相连接，用于能够根据各底座间的距离及底座的设置角度来调节上述设置部件的设置距离及设置角度。
3.根据权利要求2所述的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，其特征在于，
上述第一连杆的一端以能够向左右方向旋转的方式与上述设置部件的一端相结合，
上述第一连杆的另一端以能够向上下方向旋转的方式与上述固定单元相结合。
4.根据权利要求2所述的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，其特征在于，
上述第二连杆的一端以能够向左右方向旋转的方式与上述设置部件的另一端相结合，
在上述第二连杆的另一端设有能够沿着上述第二连杆移动的结合件。
5.根据权利要求2所述的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，其特征在于，
上述固定单元包括：
第一支架，固定于上述底座；以及
第二支架，与上述第一支架的一侧相结合，并以能够向上下方向旋转的方式固定第一连杆，该第一连杆与上述设置部件相结合，
在上述第二支架形成有连接轴，上述连接轴插入于形成在上述第一连杆的轴孔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的利用光纤光栅传感器的收敛位移及顶部沉降测定装置，其特征在于，在上述底座分别结合有一对固定部件和固定单元，用于能够一同设置相邻的一对单位光纤光栅传感器模块。
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