CN108020167A - 一种基于光纤光栅的固定式测斜仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明应用于光纤传感监测技术领域，公开了一种基于光纤光栅的固定式测斜仪器，包括传感器保护壳、第一光纤光栅测斜传感器、第二光纤光栅测斜传感器、连接光纤以及光纤尾纤，光纤光栅测斜传感器的感测部件为对称布设有光纤光栅的等强度悬臂梁，不同传感器的光纤光栅通过连接光纤串连后经尾纤引出。应用本发明固定式测斜仪，当被测结构物变形引起传感器发生倾斜时，通过测量传感器中光纤光栅的波长偏移量，计算得到倾斜角度并根据几何关系转化为水平方向位移变化量，利用水平面内两垂直方向的位移值确定变形的方向，从而实现对岩土体深部变形大小和方向的连续性监测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感监测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的固定式测斜仪器。
背景技术
深层位移监测技术是通过测量岩土体深部变形来反映坡体内部活动情况，是边坡地质灾害预测预警的重要手段。目前应用较多的深层位移监测仪器是基于微机电系统(MEMS)的测斜仪，包括便携式测斜仪和固定式测斜仪。便携式测斜仪操作简单，技术较为成熟，然而需要人工操作仪器完成测量，测试效率低，尤其是在工程条件恶劣、人工测量不便的高陡边坡，难以实现有效实时监测；固定式测斜仪可以实现边坡位移的连续、自动化测量，但由于单个测斜孔内测量节点数量受限，无法准确、全面地反映岩土体的深部变形状况。
光纤光栅具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、复用能力强、耐腐蚀及便于实现准分布式传感等特点，近几年得到了迅速发展，利用光纤光栅所具有的独特优势，针对不同监测对象研发设计相应的传感器，可应用于不同的领域。光纤光栅传感器在岩土深层位移监测应用研究较少，一些学者提出将光纤光栅直接布设于测斜管或其他柔性结构表面的方法，然而这种方法计算复杂、测量精度难以满足要求。
发明内容
针对当前深层位移监测技术存在的不足，本发明旨在提供一种技术可靠且较为经济的光纤光栅固定式测斜仪，通过将多节测斜仪置于测斜孔内，准确测量被测结构物在两相对垂直平面的倾斜度并转化为水平方向的位移，实现边坡内部变形大小和方向的连续性监测。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于光纤光栅的固定式测斜仪，包括传感器保护壳、第一光纤光栅测斜传感器、第二光纤光栅测斜传感器，第一光纤光栅测斜传感器与第二光纤光栅测斜传感器采用螺丝固定于传感器保护壳内壁相应位置，通过连接光纤串连后经光纤尾纤引出。
作为优选的技术方案，所述第一光纤光栅测斜传感器与第二光纤光栅测斜传感器结构相同，布置方向互相垂直。
作为优选的技术方案，所述传感器保护壳包括保护套管、上密闭塞及下密闭塞，保护套管设有用于光纤光栅测斜传感固定的通孔，所述上密闭塞、下密闭塞均设有用于光纤尾纤通过用的小孔。
作为优选的技术方案，所述第一、第二光纤光栅测斜传感器均包括固定基座、布设有两个光纤光栅的等强度悬臂梁、质量摆锤、轴承；等强度悬臂梁的固定端通过螺丝和垫片固定在固定基座上，自由端用螺丝与质量摆锤连接。
作为优选的技术方案，所述固定基座设有与保护套管通孔对应的螺纹孔，与等强度悬臂梁接触的侧面设有固定螺纹孔和矩形凹槽，顶端有光纤尾纤通过的小孔，下端有安装轴承用的圆孔。
作为优选的技术方案，所述等强度悬臂梁在受力范围内采用等腰三角形形式，固定端和自由端分别为矩形、半圆形；等强度悬臂梁两侧面对称布设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，等强度悬臂梁受质量摆锤作用力产生弯曲变形，引起两侧的应变大小相等方向相反。
作为优选的技术方案，所述质量摆锤上部连杆穿过轴承与固定支座连接并能够自由转动，下部质量块凸出部分设有与等强度悬臂梁自由端连接的螺纹孔。
当某一测点处出现变形，引起光纤光栅固定式测斜仪两个垂直方向的测斜传感器均发生倾斜，假设该测点处第一光纤光栅测斜传感器测试水平面内X轴向的相对位移△x，第二光纤光栅测斜传感器测量Y轴向的相对位移△y；
其中，L为两测点之间的测段长度；α为X轴平面内倾角；β为Y轴平面内倾角；E为等强度悬臂梁的弹性模量，b0为等强度梁固定端的宽度，h为等强度梁的厚度，l为等强度梁的长度；kε、k'ε分别为第一、第二光纤光栅测斜传感器中光纤光栅的应变灵敏度系数；G为质量摆锤的重力；Δλ1、Δλ2分别为第一光纤光栅测斜传感器中两个光纤光栅的波长偏移量；Δλ1'、Δλ2'分别为第二光纤光栅测斜传感器中两个光纤光栅的波长偏移量。
水平位移变化量与波长偏移量之间呈线性关系，因此现场监测前，通过标定实验确定相对水平位移和传感器中波长偏移量之间的关系。
Δx＝K·L·(Δλ1-Δλ2)；Δy＝K'·L·(Δλ'1-Δλ'2)
式中，K、K’分别为第一、第二光纤光栅测斜传感器的标定系数，进一步地，为获得被测结构物测量范围内的深部变形情况，多节光纤光栅固定式测斜仪串连安装后置于测孔，由底部逐节累加得到任一测点的水平位移。
本发明的有益效果是：本发明所述固定式测斜仪可在监测深度范围多节串接安装，减少了信号传输线数量，使得单个测斜孔内测点数量不再受到限制，能够准确、全面地反映岩土体的深部变形；测斜仪安装完成后可由光纤连接至远距离的监测站，实现自动化实时监测，减少人工操作；单节测斜仪采用两个测斜传感器，不仅可以测量岩土体的深层水平位移大小，还可以确定发生水平位移的方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光纤光栅固定式测斜仪内部结构图；
图2为传感器保护壳示意图；
图3为光纤光栅测斜传感器示意图；
图4为等强度悬臂梁示意图；
图5为固定基座示意图；
图6为质量摆锤示意图；
图中，1、上密闭塞；2、保护套管；3、第一光纤光栅测斜传感器；4、连接光纤；5、第二光纤光栅测斜传感器；6、光纤尾纤；7、下密闭塞；8、上密闭塞光纤通孔；9、第一光纤光栅测斜传感器固定孔；10、第二光纤光栅测斜传感器固定孔；11、固定基座；12、垫片；13、等强度悬臂梁；14、质量摆锤；15、轴承；16、第一光纤光栅；17、第二光纤光栅；18、等强度梁自由端连接孔；19、等强度梁固定端固定孔。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1和图2所示，包括传感器保护壳、第一光纤光栅测斜传感器3、第二光纤光栅测斜传感器5，第一光纤光栅测斜传感器3与第二光纤光栅测斜传感器5采用螺丝固定于传感器保护壳内壁相应位置，通过连接光纤4串连后经光纤尾纤6引出，第一光纤光栅测斜传感器3与第二光纤光栅测斜传感器5结构相同，布置方向互相垂直。
其中，传感器保护壳包括上密闭塞1、下密闭塞7、保护套管2、第一光纤光栅测斜传感器3、第二光纤光栅测斜传感器5、连接光纤4以及光纤尾纤6；第一光纤光栅测斜传感器3与第二光纤光栅测斜传感器5结构相同，布置方向互相垂直，通过连接光纤4进行串连，用螺丝固定于保护套管2内壁。
如图3所示，所述测斜传感器包括固定基座11、等强度悬臂梁13、质量摆锤14、轴承15；等强度悬臂梁13的固定端通过螺丝和垫片12固定在固定基座11上，自由端用螺丝与质量摆锤14连接；采用轴承15穿过质量摆锤14上端后与固定基座11连接，使得质量摆锤14可绕轴承15自由转动，固定基座结构如图5所示。
如图4所示，等强度悬臂梁13两侧面对称布设有第一光纤光栅16和第二光纤光栅17；等强度悬臂梁13受质量摆锤14作用力产生弯曲变形，引起两侧的应变大小相等方向相反，由此可消除应变和温度交叉敏感的影响，质量摆锤的结构如图6所示。
单节固定式测斜仪组装完成后，对第一光纤光栅测斜传感器3、第二光纤光栅测斜传感器5进行标定，确定倾斜角度与光纤光栅波长偏移量的关系。假设第一光纤光栅测斜传感器3测试X轴平面内倾角，第二光纤光栅测斜传感器5测试Y轴平面内倾角，根据标定实验，得到倾角与光纤光栅波长偏移量的关系；
sinα＝K·(Δλ1-Δλ2)；sinβ＝K'·(Δλ'1-Δλ'2)
现场监测时，按监测需求的测点间距和测量深度将多节测斜仪串接安装于测斜孔中，当被测结构物的深部变形引起测斜仪发生倾斜，通过光纤光栅波长偏移量确定倾角，利用几何关系求解相邻两测点之间的X、Y轴向位移，由底部自下而上逐节累加得到任一深度测点的水平位移变化，由此可获得整个测量深度范围内的深部变形状况。其中，相邻两测点之间的X、Y轴向位移值：Δx＝K·L·(Δλ1-Δλ2)，Δy＝K'·L·(Δλ'1-Δλ'2)，位移发生的方向用与X轴正向的夹角表示：
本发明的固定式测斜仪可在监测深度范围多节串接安装，减少了信号传输线数量，使得单个测斜孔内测点数量不再受到限制，能够准确、全面地反映岩土体的深部变形；测斜仪安装完成后可由光纤连接至远距离的监测站，实现自动化实时监测，减少人工操作；单节测斜仪采用两个测斜传感器，不仅可以测量岩土体的深层水平位移大小，还可以确定发生水平位移的方向。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：包括传感器保护壳、第一光纤光栅测斜传感器、第二光纤光栅测斜传感器，第一光纤光栅测斜传感器与第二光纤光栅测斜传感器采用螺丝固定于传感器保护壳内壁相应位置，通过连接光纤串连后经光纤尾纤引出。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述第一光纤光栅测斜传感器与第二光纤光栅测斜传感器结构相同，布置方向互相垂直。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述传感器保护壳包括保护套管、上密闭塞及下密闭塞，保护套管设有用于光纤光栅测斜传感固定的通孔，所述上密闭塞、下密闭塞均设有用于光纤尾纤通过用的小孔。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述第一、第二光纤光栅测斜传感器均包括固定基座、布设有两个光纤光栅的等强度悬臂梁、质量摆锤、轴承；等强度悬臂梁的固定端通过螺丝和垫片固定在固定基座上，自由端用螺丝与质量摆锤连接。
5.如权利要求4所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述固定基座设有与保护套管通孔对应的螺纹孔，与等强度悬臂梁接触的侧面设有固定螺纹孔和矩形凹槽，顶端有光纤尾纤通过的小孔，下端有安装轴承用的圆孔。
6.如权利要求4所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述等强度悬臂梁在受力范围内采用等腰三角形形式，固定端和自由端分别为矩形、半圆形；等强度悬臂梁两侧面对称布设有第一光纤光栅和第二光纤光栅，等强度悬臂梁受质量摆锤作用力产生弯曲变形，引起两侧的应变大小相等方向相反。
7.如权利要求4所述的基于光纤光栅的固定式测斜仪，其特征在于：所述质量摆锤上部连杆穿过轴承与固定支座连接并能够自由转动，下部质量块凸出部分设有与等强度悬臂梁自由端连接的螺纹孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: Great engineering prospecting No. 8 building, eight South Road 518000 South Science and technology in Guangdong province Shenzhen city Nanshan District high tech Park 22 Applicant after: Academy of Iron Sciences (Shenzhen) Research and Design Institute Co., Ltd. Applicant after: China Railway Scientific Research Institute Group Co., Ltd. Address before: Great engineering prospecting No. 8 building, eight South Road 518000 South Science and technology in Guangdong province Shenzhen city Nanshan District high tech Park 22 Applicant before: SHENZHEN RESEARCH AND DESIGN INSTITUTE OF CARS Applicant before: China Academy of Railway Sciences |