CN107131836A - 一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器及其应用，设计一种测量表面位移的无线三维位置测量设备，以及把光信号改变转化为位移参数的光纤光栅传感设备，包括以下步骤：步骤1、传感器各组件的组合形式和结构，步骤2、传感器测量内部位移场的基本技术原理，步骤3、传感器测量外部位移场的基本技术原理，步骤4、工程应用中传感器的封装方法；本发明的目的是通过获取光纤布拉格光栅传感器光学特性的变化来计算滑坡体的内部位移，以及通过超宽带无线定位传感器测量得到的三维位置时间序列来计算坡体的表面位移，并同时通过分析表面和内部位移，来解决自然滑坡体、高边坡、深基坑等过程中滑坡的监测和预警问题。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器及其应用。
背景技术
目前，用于岩土工程滑坡监测的主要内容包括表面位移监测和内部位移监测。通常情况 下二者的监测采用不同的系统和传感器，其中表面位移多采用全站仪、GPS等技术，内部位 移多采用测斜仪进行观测。目前存在两个明显的缺陷：1)不能实现内部和外部位移的连续不 间断的高精度测量；2)不能实现内部和外部系统及传感器的并置和共位测量。以上两个缺陷 造成了位移测量数据的实时性较差以及数据不能兼容等问题。
基于此，拟设计能同时测量内部和外部位移的传感器，采用了无线测距定位技术和光纤 光栅技术制作了此传感器，两种技术在物理上和几何上实现了融合，利用此传感器监测得到 的数据能密切结合内部和外部位移数据进行滑坡分析，有效的反映出滑坡体稳定现状。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种同时测量内外位移场的 滑坡监测传感器及其应用，本发明通过获取光纤布拉格光栅传感器光学特性的变化来计算滑 坡体的内部位移，以及通过超宽带无线定位传感器测量得到的三维位置时间序列来计算坡体 的表面位移，并同时通过分析表面和内部位移，来解决自然滑坡体、高边坡、深基坑等过程 中滑坡的监测和预警问题。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，传感 器包括PVC杆件，PVC杆件的一端部安装有无线测距终端，PVC杆件的侧壁上沿杆件的延伸方 向平行设有第一光纤、第二光纤和第三光纤，第一光纤、第二光纤和第三光纤内设有布拉格 光栅。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述第一光纤、第二光纤和第三光纤在PVC杆件的横截面上均匀分布，三条光纤与横截 面的中心点的连线互为120°夹角。
前述PVC杆件的长度为2m。
前述PVC杆件的内直径为30mm，外直径为35mm。
前述无线测距终端为超宽带测距终端。
前述无线测距终端为封装好的长、宽、厚为30mm、20mm、8mm的测距模块，能实现测距 测量和手机的模块，主要配合外围已知位置的测站的坐标来使用，通过距离计算来实现对此 测距终端精确位置的测量。
进一步的，
本发明还提供一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，包括如下具体步骤：
步骤(一)、传感器各组件的组合形式和结构：
传感器包括PVC杆件、第一光纤、第二光纤、第三光纤、布拉格光栅、无线测距终端；PVC杆件的长度为2m，内直径为30mm，外直径为35mm；
在PVC杆件的其中一个端点采用直径为35mm、厚度为3mm的PVC圆片进行焊接封口，并 在圆片的外表面用胶水固定无线测距终端；并在PVC杆件的外壁上刻三道安装槽，三道安装 槽沿PVC杆件的延伸方向排布，两两之间相隔120°；
采用单模光纤将布拉格光栅连接起来得到光纤布拉格光栅，平均0.5米一个光栅，分别 在0.5米、1米和1.5米处安装三个波长为1584nm，、1560nm和1550nm的三个布拉格光栅， 每个光栅的标距均为20mm长度；
步骤(二)、传感器测量内部位移场的基本技术原理：
利用光纤和光栅测量内部位移场主要是通过一定的方式(如机械钻孔)，将传感器以垂 直的方向埋入到岩土体内部，并把头部漏出地面100mm±5mm，当传感器在岩土体内部收到测 量的力时，PVC杆件发生形变，通过光纤布拉格光栅测量，可将形变换算为内部位移；
光纤布拉格光栅的工作原理是通过改变纤芯区折射率，从而产生小的周期性调制。应变 和温度是光纤光栅最直接的两个传感参量。
布拉格光栅对入射的宽带光进行选择性反射，反射波长的表达式为：
λ＝2neffΛ (1)
当传感器的PVC杆件因受力发生弯曲时，应变产生变化进而导致反射波长的变化，变化 量为：
Δλ＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
当温度变化不大时，忽略温度的影响，可得应变和波长：
上式为利用光纤光栅测量PVC管应变的基本关系式，测量的误差≤5％；p为光纤的弹光 系数，约为0.22；
此外，三根光纤须与指定的窄带光源和解调仪相连接，测得必要的波长变化，继而求得 PVC管的应变量；
对于PVC杆件，其任意一点因弯曲产生的应变εm(r,θ,z)与其曲率半径ρ(z)的关系为：
光纤位于传感器PVC杆件的外侧，且光纤与最大应变方向的夹角θ＝0°，故：
R为传感器PVC杆件的外径，又由：
因此传感器PVC杆件的挠度ω(z)为
m，n为待定系数，可由传感器PVC杆件的边界条件确定；
采用定积分法对挠度进行计算，需要对应变曲线进行拟合，误差会逐渐累积而导致计算 结果偏差较大。分布式光纤测斜仪测得的数据为采样间隔点的离散数据，因此本文通过差分 法求解挠度。该方法可反映工程中离散变量的取值与变化规律。采用差分法求解挠度，一阶 差分方程为：
相应的二阶差分方程为
因此，分布式光纤测斜仪的应力、应变关系方程可以表达为
上述方程组可改写为以下的矩阵形式：
式中f0，fn+1为边界端的挠度值，fi(i＝1～n)为第i个光纤采样点的挠度值；h为采样间 距，根据实测情况确定；R为测斜管的外径；εi(i＝1～n)为第i个光纤采样点测得的应变值； 由于测斜管采用两端简支，因此边界点的挠度f0和fn+1均为0，代入得：
消去上式中系数矩阵第一列和最后一列，改写成以下形式：
上式中的系数矩阵为方阵且可逆，因此可以通过矩阵运算直接求得位移和采样点所测应 变的关系，即：
步骤(三)、传感器测量外部位移场的基本技术原理：
传感器外部测量是利用至少3个外围基站测量传感器顶部的无线测距终端的距离而计算 无线测距终端的位置，是基于距离测量的空间后方交会；
已知多个无线测距基站坐标分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),…,(Xn,Yn,Zn)，其中，n为无线 测距基站的数量，则对于第i个无线测距基站，它与无线测距终端之间观测得到的距离量为
其中，Si为无线测距基站和无线测距终端的距离量，而第i个无线测距基站的坐标(Xi,Yi,Zi)是先精确已知，则求解无线测距终端坐标(x,y,z)至少需要三个以上的无线测距基 站；假设有三台以上的无线测距基站同时对接收机观测(n≥3)，则有以下方程：
由于式(16)是非线性方程组，故要先将其线性化，即按泰勒公式展开，取到一阶；并 假设无线测距基站的初始近似位置为(x0,y0,z0)，则测距方程可以有如下表示方式：
令则上式可改写为
令L＝[S1,S2,…,Sn]T为观测量，H＝[H1,H2,…,Hn]T为设计矩阵，其中L＝[(x-x0),(y-y0),(z-z0)]T为待求解未知数，δ＝[δ1,δ2,…,δn]T为误 差向量，则可以得到如下观测方程
L＝Hx+δ (19)
由于上述方程为一个线性方程组，而通常要求n>3，则超定方程组可以有如下最小二乘 解
x＝(HTPH)-1HTL (20)
步骤(四)、工程应用中传感器的封装工艺：
将光纤布拉格光栅放入三道安装槽，涂抹环氧胶水，待固化后，在PVC杆件的外表面， 利用封装打包胶带进行完全缠绕封装；完全缠绕要求缠绕时，上一圈和下一圈的胶带重叠保 持在胶带宽度的30～50％；完全缠绕完毕后，在最外层利用尼龙布进行完全缠绕封装。
前述安装槽的深度、宽度均为1mm。
前述封装打包胶带的宽度为60mm、厚度为0.06mm、基体为聚丙烯薄膜、胶系为丙烯酸。
前述尼龙布的宽度为100mm、密度大于210T，同时轧光染色。
本发明公开了一种同时可以进行滑坡体内部位移和滑坡体表面位移测量的传感器，设计 一种测量表面位移的无线三维位置测量设备，以及把光信号改变转化为位移参数的光纤光栅 传感设备，本发明的目的是通过获取光纤布拉格光栅传感器光学特性的变化来计算滑坡体的 内部位移，以及通过超宽带无线定位传感器测量得到的三维位置时间序列来计算坡体的表面 位移，并同时通过分析表面和内部位移，来解决自然滑坡体、高边坡、深基坑等过程中滑坡 的监测和预警问题。
附图说明
图1为传感器的结构示意图；
图2为光纤排布示意图；
图3为光纤布拉格光栅传感器的工作原理；
图4为PVC杆件弯曲产生应变计算位移的理论模型；
图5为本发明的工作原理示意框图；
图6为传感器外部测量原理示意图；
其中，1-PVC杆件，2-第一光纤，3-第二光纤，4-第三光纤，5-布拉格光栅，6-无线测距终端，7-广普光，8-λ反射的布拉格波长，9-λ布拉格波长，10-岩土体。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，如图1所示，传感器包括PVC 杆件1，PVC杆件1的一端部安装有无线测距终端6，PVC杆件1的侧壁上沿杆件的延伸方向 平行设有第一光纤2、第二光纤3和第三光纤4，第一光纤2、第二光纤3和第三光纤4内设 有布拉格光栅5。如图2所示，前述第一光纤2、第二光纤3和第三光纤4在PVC杆件1的横截面上均匀分布，三条光纤与横截面的中心点的连线互为120°夹角。前述PVC杆件1的长 度为2m。前述PVC杆件1的内直径为30mm，外直径为35mm。前述无线测距终端6为超宽带 测距终端。前述无线测距终端6为封装好的长、宽、厚为30mm、20mm、8mm的测距模块，能 实现测距测量和手机的模块，主要配合外围已知位置的测站的坐标来使用，通过距离计算来 实现对此测距终端精确位置的测量。
本实施例还提供一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，如图5所示，包括 如下具体步骤：
步骤(一)、传感器各组件的组合形式和结构：
传感器包括PVC杆件、第一光纤、第二光纤、第三光纤、布拉格光栅、无线测距终端；PVC杆件的长度为2m，内直径为30mm，外直径为35mm；在PVC杆件的其中一个端点采用直径为35mm、厚度为3mm的PVC圆片进行焊接封口，并在圆片的外表面用胶水固定无线测距终端；并在PVC杆件的外壁上刻三道安装槽，三道安装槽沿PVC杆件的延伸方向排布，两两之间相隔120°；采用单模光纤将布拉格光栅连接起来得到光纤布拉格光栅，平均0.5米一个光栅，分别在0.5米、1米和1.5米处安装三个波长为1584nm，、1560nm和1550nm的三个布拉格 光栅，每个光栅的标距均为20mm长度；
步骤(二)、传感器测量内部位移场的基本技术原理：
利用光纤和光栅测量内部位移场主要是通过一定的方式(如机械钻孔)，将传感器以垂 直的方向埋入到岩土体内部，并把头部漏出地面100mm±5mm，当传感器在岩土体内部收到测 量的力时，PVC杆件发生形变，通过光纤布拉格光栅测量，可将形变换算为内部位移；光纤 布拉格光栅的工作原理是通过改变纤芯区折射率，从而产生小的周期性调制。应变和温度是 光纤光栅最直接的两个传感参量。
如图3所示，布拉格光栅对入射的宽带光进行选择性反射，反射波长的表达式为：
λ＝2neffΛ (1)
当传感器的PVC杆件因受力发生弯曲时，应变产生变化进而导致反射波长的变化，变化 量为：
Δλ＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
当温度变化不大时，忽略温度的影响，可得应变和波长：
上式为利用光纤光栅测量PVC管应变的基本关系式，测量的误差≤5％；p为光纤的弹光 系数，约为0.22；
此外，三根光纤须与指定的窄带光源和解调仪相连接，测得必要的波长变化，继而求得 PVC管的应变量；
如图4所示，对于PVC杆件，其任意一点因弯曲产生的应变εm(r,θ,z)与其曲率半径ρ(z) 的关系为：
光纤位于传感器PVC杆件的外侧，且光纤与最大应变方向的夹角θ＝0°，故：
R为传感器PVC杆件的外径，又由：
因此传感器PVC杆件的挠度ω(z)为
m，n为待定系数，可由传感器PVC杆件的边界条件确定；
采用定积分法对挠度进行计算，需要对应变曲线进行拟合，误差会逐渐累积而导致计算 结果偏差较大。分布式光纤测斜仪测得的数据为采样间隔点的离散数据，因此本文通过差分 法求解挠度。该方法可反映工程中离散变量的取值与变化规律。采用差分法求解挠度，一阶 差分方程为：
相应的二阶差分方程为
因此，分布式光纤测斜仪的应力、应变关系方程可以表达为
上述方程组可改写为以下的矩阵形式：
式中f0，fn+1为边界端的挠度值，fi(i＝1～n)为第i个光纤采样点的挠度值；h为采样间 距，根据实测情况确定；R为测斜管的外径；εi(i＝1～n)为第i个光纤采样点测得的应变值； 由于测斜管采用两端简支，因此边界点的挠度f0和fn+1均为0，代入得：
消去上式中系数矩阵第一列和最后一列，改写成以下形式：
上式中的系数矩阵为方阵且可逆，因此可以通过矩阵运算直接求得位移和采样点所测应 变的关系，即：
步骤(三)、传感器测量外部位移场的基本技术原理：
如图6所示，传感器外部测量是利用至少3个外围基站测量传感器顶部的无线测距终端 的距离而计算无线测距终端的位置，是基于距离测量的空间后方交会；
已知多个无线测距基站坐标分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),…,(Xn,Yn,Zn)，其中，n为无线 测距基站的数量，则对于第i个无线测距基站，它与无线测距终端之间观测得到的距离量为
其中，Si为无线测距基站和无线测距终端的距离量，而第i个无线测距基站的坐标(Xi,Yi,Zi)是先精确已知，则求解无线测距终端坐标(x,y,z)至少需要三个以上的无线测距基 站；假设有三台以上的无线测距基站同时对接收机观测(n≥3)，则有以下方程：
由于式(16)是非线性方程组，故要先将其线性化，即按泰勒公式展开，取到一阶；并 假设无线测距基站的初始近似位置为(x0,y0,z0)，则测距方程可以有如下表示方式：
令则上式可改写为
令L＝[S1,S2,…,Sn]T为观测量，H＝[H1,H2,…,Hn]T为设计矩阵，其中L＝[(x-x0),(y-y0),(z-z0)]T为待求解未知数，δ＝[δ1,δ2,…,δn]T为误 差向量，则可以得到如下观测方程
L＝Hx+δ (19)
由于上述方程为一个线性方程组，而通常要求n>3，则超定方程组可以有如下最小二乘 解
x＝(HTPH)-1HTL (20)
步骤(四)、工程应用中传感器的封装工艺：
将光纤布拉格光栅放入三道安装槽，涂抹环氧胶水，待固化后，在PVC杆件的外表面， 利用封装打包胶带进行完全缠绕封装；完全缠绕要求缠绕时，上一圈和下一圈的胶带重叠保 持在胶带宽度的30～50％；完全缠绕完毕后，在最外层利用尼龙布进行完全缠绕封装。前述 安装槽的深度、宽度均为1mm。前述封装打包胶带的宽度为60mm、厚度为0.06mm、基体为聚 丙烯薄膜、胶系为丙烯酸。前述尼龙布的宽度为100mm、密度大于210T，同时轧光染色。
本实施例公开了一种同时可以进行滑坡体内部位移和滑坡体表面位移测量的传感器，设 计一种测量表面位移的无线三维位置测量设备，以及把光信号改变转化为位移参数的光纤光 栅传感设备，本发明的目的是通过获取光纤布拉格光栅传感器光学特性的变化来计算滑坡体 的内部位移，以及通过超宽带无线定位传感器测量得到的三维位置时间序列来计算坡体的表 面位移，并同时通过分析表面和内部位移，来解决自然滑坡体、高边坡、深基坑等过程中滑 坡的监测和预警问题。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本 发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述传感器包括PVC杆件(1)，所述PVC杆件(1)的一端部安装有无线测距终端(6)，所述PVC杆件(1)的侧壁上沿杆件的延伸方向平行设有第一光纤(2)、第二光纤(3)和第三光纤(4)，所述第一光纤(2)、第二光纤(3)和第三光纤(4)内设有布拉格光栅(5)。
2.根据权利要求1所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述第一光纤(2)、第二光纤(3)和第三光纤(4)在所述PVC杆件(1)的横截面上均匀分布，三条光纤与横截面的中心点的连线互为120°夹角。
3.根据权利要求1货2所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述PVC杆件(1)的长度为2m。
4.根据权利要求3所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述PVC杆件(1)的内直径为30mm，外直径为35mm。
5.根据权利要求3所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述无线测距终端(6)为超宽带测距终端。
6.根据权利要求1或5所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器，其特征在于，所述无线测距终端(6)为封装好的长、宽、厚为30mm、20mm、8mm的测距模块。
7.一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤(一)、传感器各组件的组合形式和结构：
传感器包括PVC杆件、第一光纤、第二光纤、第三光纤、布拉格光栅、无线测距终端；PVC杆件的长度为2m，内直径为30mm，外直径为35mm；
在PVC杆件的其中一个端点采用直径为35mm、厚度为3mm的PVC圆片进行焊接封口，并在圆片的外表面用胶水固定无线测距终端；并在PVC杆件的外壁上刻三道安装槽，三道安装槽沿PVC杆件的延伸方向排布，两两之间相隔120°；
采用单模光纤将布拉格光栅连接起来得到光纤布拉格光栅，平均0.5米一个光栅，分别在0.5米、1米和1.5米处安装三个波长为1584nm，、1560nm和1550nm的三个布拉格光栅，每个光栅的标距均为20mm长度；
步骤(二)、传感器测量内部位移场的基本技术原理：
将传感器以垂直的方向埋入到岩土体内部，并把头部漏出地面100mm±5mm，当传感器在岩土体内部收到测量的力时，PVC杆件发生形变，通过光纤布拉格光栅测量，可将形变换算为内部位移；
布拉格光栅对入射的宽带光进行选择性反射，反射波长的表达式为：
λ＝2neffΛ (1)
当传感器的PVC杆件因受力发生弯曲时，应变产生变化进而导致反射波长的变化，变化量为：
Δλ＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
当温度变化不大时，忽略温度的影响，可得应变和波长：
上式为利用光纤光栅测量PVC管应变的基本关系式，测量的误差≤5％；p为光纤的弹光系数，约为0.22；
此外，三根光纤须与指定的窄带光源和解调仪相连接，测得必要的波长变化，继而求得PVC管的应变量；
对于PVC杆件，其任意一点因弯曲产生的应变εm(r,θ,z)与其曲率半径ρ(z)的关系为：
光纤位于传感器PVC杆件的外侧，且光纤与最大应变方向的夹角θ＝0°，故：
R为传感器PVC杆件的外径，又由：
因此传感器PVC杆件的挠度ω(z)为
m，n为待定系数，可由传感器PVC杆件的边界条件确定；
采用差分法求解挠度，一阶差分方程为：
相应的二阶差分方程为
因此，分布式光纤测斜仪的应力、应变关系方程可以表达为
上述方程组可改写为以下的矩阵形式：
式中f0，fn+1为边界端的挠度值，fi(i＝1～n)为第i个光纤采样点的挠度值；h为采样间距，根据实测情况确定；R为测斜管的外径；εi(i＝1～n)为第i个光纤采样点测得的应变值；由于测斜管采用两端简支，因此边界点的挠度f0和fn+1均为0，代入得：
消去上式中系数矩阵第一列和最后一列，改写成以下形式：
上式中的系数矩阵为方阵且可逆，因此可以通过矩阵运算直接求得位移和采样点所测应变的关系，即：
步骤(三)、传感器测量外部位移场的基本技术原理：
传感器外部测量是利用至少3个外围基站测量传感器顶部的无线测距终端的距离而计算无线测距终端的位置，是基于距离测量的空间后方交会；
已知多个无线测距基站坐标分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),…,(Xn,Yn,Zn)，其中，n为无线测距基站的数量，则对于第i个无线测距基站，它与无线测距终端之间观测得到的距离量为
其中，Si为无线测距基站和无线测距终端的距离量，而第i个无线测距基站的坐标(Xi,Yi,Zi)是先精确已知，则求解无线测距终端坐标(x,y,z)至少需要三个以上的无线测距基站；假设有三台以上的无线测距基站同时对接收机观测(n≥3)，则有以下方程：
由于式(16)是非线性方程组，故要先将其线性化，即按泰勒公式展开，取到一阶；并假设无线测距基站的初始近似位置为(x0,y0,z0)，则测距方程可以有如下表示方式：
令则上式可改写为
令L＝[S1,S2,…,Sn]T为观测量，H＝[H1,H2,…,Hn]T为设计矩阵，其中L＝[(x-x0),(y-y0),(z-z0)]T为待求解未知数，δ＝[δ1,δ2,…,δn]T为误差向量，则可以得到如下观测方程
L＝Hx+δ (19)
由于上述方程为一个线性方程组，而通常要求n＞3，则超定方程组可以有如下最小二乘解
x＝(HTPH)-1HTL (20)
步骤(四)、工程应用中传感器的封装工艺：
将光纤布拉格光栅放入三道安装槽，涂抹环氧胶水，待固化后，在PVC杆件的外表面，利用封装打包胶带进行完全缠绕封装；完全缠绕要求缠绕时，上一圈和下一圈的胶带重叠保持在胶带宽度的30～50％；完全缠绕完毕后，在最外层利用尼龙布进行完全缠绕封装。
8.根据权利要求7所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，其特征在于，所述安装槽的深度、宽度均为1mm。
9.根据权利要求7所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，其特征在于，所述封装打包胶带的宽度为60mm、厚度为0.06mm、基体为聚丙烯薄膜、胶系为丙烯酸。
10.根据权利要求7所述的同时测量内外位移场的滑坡监测传感器的应用，其特征在于，所述尼龙布的宽度为100mm、密度大于210T，同时轧光染色。
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|---|---|
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107941137A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-20 | 山东科技大学 | 任意倾角钻孔变形量测方法 |
| CN108180841A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-06-19 | 河北工业大学 | 一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法 |
| CN108534730A (zh) * | 2018-06-14 | 2018-09-14 | 昆山市建设工程质量检测中心 | 一种用于实时测量土体深层水平位移和表面沉降的装置 |
| CN108756856A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-11-06 | 广东赛达交通科技股份有限公司 | 一种分布式光纤钻孔测斜的施工方法 |
| CN109163665A (zh) * | 2018-06-15 | 2019-01-08 | 广东电网有限责任公司 | 一种基于分布式光纤传感技术的土木结构点三维位移监测方法 |
| CN109916366A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-21 | 西安电子科技大学 | 一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法 |
| CN110686612A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-01-14 | 大连理工大学 | 一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法 |
| CN110849254A (zh) * | 2018-08-20 | 2020-02-28 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种管道位移监测系统及方法 |
| CN111750790A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-10-09 | 江苏法尔胜光电科技有限公司 | 一种基于分布式光纤的管道二维变形监测方法 |
| CN113390385A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-14 | 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司 | 一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法 |
| CN113670182A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-19 | 中国地质大学（武汉） | 用于深部隧洞测量滑坡运动特征参量的方法、系统及终端 |
| CN113739705A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-03 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种基于分段圆弧拼接算法的构件横向位移监测方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201278201Y (zh) * | 2008-09-03 | 2009-07-22 | 中国石油天然气股份有限公司 | 基于光纤光栅的管道滑坡监测预警系统 |
| CN101667327A (zh) * | 2008-09-03 | 2010-03-10 | 中国石油天然气股份有限公司 | 管道滑坡深部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法 |
| CN102168950A (zh) * | 2010-12-20 | 2011-08-31 | 中铁隧道集团有限公司 | 隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法 |
| CN203642880U (zh) * | 2013-10-31 | 2014-06-11 | 宁波良和路桥科技有限公司 | 一种监测边坡内部变形的光纤光栅分布式位移传感器 |
| US8970845B1 (en) * | 2012-05-31 | 2015-03-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | In-situ three-dimensional shape rendering from strain values obtained through optical fiber sensors |
| CN104482855A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-01 | 河海大学 | 基于光纤光栅的基坑滑动面位置监测方法 |
| CN106092042A (zh) * | 2016-06-28 | 2016-11-09 | 江西公路开发总公司 | 一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器 |
| CN207081410U (zh) * | 2017-06-01 | 2018-03-09 | 中国人民解放军理工大学 | 一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器 |
-
2017
- 2017-06-01 CN CN201710403166.1A patent/CN107131836A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201278201Y (zh) * | 2008-09-03 | 2009-07-22 | 中国石油天然气股份有限公司 | 基于光纤光栅的管道滑坡监测预警系统 |
| CN101667327A (zh) * | 2008-09-03 | 2010-03-10 | 中国石油天然气股份有限公司 | 管道滑坡深部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法 |
| CN102168950A (zh) * | 2010-12-20 | 2011-08-31 | 中铁隧道集团有限公司 | 隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法 |
| US8970845B1 (en) * | 2012-05-31 | 2015-03-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | In-situ three-dimensional shape rendering from strain values obtained through optical fiber sensors |
| CN203642880U (zh) * | 2013-10-31 | 2014-06-11 | 宁波良和路桥科技有限公司 | 一种监测边坡内部变形的光纤光栅分布式位移传感器 |
| CN104482855A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-01 | 河海大学 | 基于光纤光栅的基坑滑动面位置监测方法 |
| CN106092042A (zh) * | 2016-06-28 | 2016-11-09 | 江西公路开发总公司 | 一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器 |
| CN207081410U (zh) * | 2017-06-01 | 2018-03-09 | 中国人民解放军理工大学 | 一种同时测量内外位移场的滑坡监测传感器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 朱海琴等: "基于FBG传感技术的软基全断面沉降传感器研发", 《南昌工程学院学报》 * |
| 王利恒等: "基于伪码测距的弹射试验测试系统", 《华中科技大学学报（自然科学版）》 * |
| 裴华富等: "基于光纤光栅传感技术的边坡原位测斜及稳定性评估方法", 《岩石力学与工程学报》 * |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107941137A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-20 | 山东科技大学 | 任意倾角钻孔变形量测方法 |
| CN108180841A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-06-19 | 河北工业大学 | 一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法 |
| CN108180841B (zh) * | 2018-01-08 | 2019-10-15 | 河北工业大学 | 一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法 |
| CN108534730A (zh) * | 2018-06-14 | 2018-09-14 | 昆山市建设工程质量检测中心 | 一种用于实时测量土体深层水平位移和表面沉降的装置 |
| CN109163665A (zh) * | 2018-06-15 | 2019-01-08 | 广东电网有限责任公司 | 一种基于分布式光纤传感技术的土木结构点三维位移监测方法 |
| CN109163665B (zh) * | 2018-06-15 | 2020-04-14 | 广东电网有限责任公司 | 一种基于分布式光纤传感技术的土木结构点三维位移监测方法 |
| CN108756856A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-11-06 | 广东赛达交通科技股份有限公司 | 一种分布式光纤钻孔测斜的施工方法 |
| CN110849254A (zh) * | 2018-08-20 | 2020-02-28 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种管道位移监测系统及方法 |
| CN110849254B (zh) * | 2018-08-20 | 2021-08-27 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种管道位移监测系统及方法 |
| CN109916366A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-21 | 西安电子科技大学 | 一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法 |
| CN109916366B (zh) * | 2019-03-25 | 2021-04-20 | 西安电子科技大学 | 一种实时监测管道形变与姿态的系统及方法 |
| CN110686612A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-01-14 | 大连理工大学 | 一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法 |
| CN110686612B (zh) * | 2019-10-31 | 2020-08-25 | 大连理工大学 | 一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法 |
| CN111750790A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-10-09 | 江苏法尔胜光电科技有限公司 | 一种基于分布式光纤的管道二维变形监测方法 |
| CN113390385A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-14 | 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司 | 一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法 |
| CN113670182A (zh) * | 2021-08-17 | 2021-11-19 | 中国地质大学（武汉） | 用于深部隧洞测量滑坡运动特征参量的方法、系统及终端 |
| CN113670182B (zh) * | 2021-08-17 | 2023-02-28 | 中国地质大学（武汉） | 用于深部隧洞测量滑坡运动特征参量的方法、系统及终端 |
| CN113739705A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-03 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种基于分段圆弧拼接算法的构件横向位移监测方法 |
| CN113739705B (zh) * | 2021-08-30 | 2024-02-02 | 武汉地震工程研究院有限公司 | 一种基于分段圆弧拼接算法的构件横向位移监测方法 |
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