CN108955769B - 一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土工程测试技术领域，公开了一种光纤光栅土压‑渗压‑温度多参量传感器，包括土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块；所述土压传感模块包括基体承压板、二次承压膜片；所述渗压传感模块包括金属板、渗压膜片，所述渗压膜片、金属板和基体承压板固定连接；所述温度传感模块包括温度补偿片；所述基体承压板、二次承压膜片和渗压膜片之间形成密闭空腔，空腔内分别设有通过光纤串接的土压光栅、渗压光栅和测温光栅。本发明将土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块集成封装为一体，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了多参量监测的安装成本。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程测试技术领域，具体地涉及一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器。
背景技术
岩土体中的应力测试是岩土工程和地下工程施工及服役过程中重要的监测项目。
目前物联网技术正在全球范围内引发新一轮的产业革命，成为推动社会经济发展的重要力量。作为信息采集系统首要部件的传感器已渗入到新技术革命的众多领域，成为制约时代发展的关键。重大岩土工程(如高陡边坡、超长隧道和深大基坑等)安全监测具有监测参量多、测点数量大以及监测周期长等特点。因此，随着传感器的工作环境的复杂化和人们对监测技术期望的提升，传感器的功能需求标准也在不断提高。总之，在巨大需求量和高品质性能需求背景下，多参量传感器已成为岩土工程测试技术的迫切需要。多参量传感器的应用，一方面，可以最大程度地降低测量多个参量采用单一传感器的成本；另一方面，可以赋予传感器新功能，适应越来越复杂的传感环境；更为重要的是多参量传感器可以优化监测系统对不同传感参量同时测量，减少传感器布设和安装成本。
国内外对土压力、渗透压力以及环境温度等传感器研究已有近100年历史，基于不同的传感机理，已研制了多种不同规格的土压力、渗透压力以及环境温度的单一参量传感器。有钢弦式、电阻应变式、压电式、压阻式，以钢弦式、电阻应变式传感器为多，其次是差动电阻式和平衡式传感器。但目前能实现土压力、渗透压力以及环境温度同时测试的多参量传感器的报道很少。同时，已有的电磁类传感器存在长期稳定性差、易受电磁干扰、布线多、不易组网等问题，很难实现土压力、渗透压力以及环境温度传感器的集成。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，通过将土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块集成封装为一体，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了多参量监测的安装成本，具备耐久性好、灵敏度高、加工方便、对岩土材料适应性强以及构建长期监测网络的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，包括土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块；
所述土压传感模块包括基体承压板，所述基体承压板下端固定连接有二次承压膜片，所述基体承压板和所述二次承压膜片之间形成密闭油腔，所述基体承压板上设有与所述油腔相连通的注油孔；
所述渗压传感模块包括金属板，所述金属板上端固定有渗压膜片，所述金属板下端设有嵌入槽，所述嵌入槽内设有透水石，所述金属板上端设有与所述嵌入槽相连通的开孔，所述渗压膜片、所述金属板和所述基体承压板固定连接；
所述温度传感模块包括温度补偿片，所述温度补偿片固定在所述二次承压膜片下端；
所述基体承压板、所述二次承压膜片和所述渗压膜片之间形成密闭空腔，空腔内分别设有土压光栅、渗压光栅和测温光栅，所述土压光栅固定在所述二次承压膜片上，所述渗压光栅固定在所述渗压膜片上，所述测温光栅固定在所述温度补偿片上，所述土压光栅、渗压光栅和测温光栅之间通过光纤串接，所述基体承压板两端分别设有光纤引出孔。
优选地，所述基体承压板左右两端分别依次设有向下的台阶安装部一和台阶安装部二，所述二次承压膜片通过螺栓固定连接在所述台阶安装部一的台阶面上，所述台阶安装部一和所述二次承压膜片的连接接触处设有第一密封圈。
优选地，所述渗压膜片、所述金属板和所述台阶安装部二通过螺栓固定连接，所述渗压膜片和所述台阶安装部二的连接接触处设有第二密封圈或密封胶。
优选地，所述注油孔为两个，对称设在所述基体承压板的左右两端，其中一个注油孔连接真空泵，另一个注油孔连接注油机。
优选地，所述土压光栅沿所述二次承压膜片的直径方向粘贴在其中心位置上，所述渗压光栅沿所述渗压膜片的直径方向粘贴在其中心位置上，所述测温光栅粘贴在所述温度补偿片上。
优选地，所述土压光栅的初始波长大于所述渗压光栅的初始波长，所述渗压光栅的初始波长大于所述测温光栅的初始波长。
本发明将土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块集成封装为一体，具有以下有益效果：
(1)对一个测点进行土压力、渗透压力和环境温度的多参量同时测量；
(2)应用光纤光栅同时实现土压力和渗透压力的监测，还具有环境温度测试与温度自补偿功能，充分利用了光纤光栅耐久性和稳定性好的特性，具有结构紧凑、传力明确的优点；
(3)土压传感模块采用基体承压板和二次承压膜片的双膜片结构，适应性强，降低了土压分布不均和土质种类不同的影响，对不同性质和粒径的土质有良好的适应性。
附图说明
图1是本发明的土压传感模块的结构示意图；
图2是本发明的温度传感模块的结构示意图；
图3是本发明的渗压传感模块的结构示意图；
图4是本发明的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器的结构示意图；
图5是本发明的温度传感模块与二次承压膜片的连接结构示意图。
附图标记说明
1基体承压板 2二次承压膜片
3油腔 4注油孔
5第一密封圈 6台阶安装部一
7台阶安装部二 8温度补偿片
9透水石 10金属板
11渗压膜片 12空腔
13土压光栅 14测温光栅
15渗压光栅 16光纤
17光纤引出孔 18第二密封圈
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，包括土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块；
如图1所示，所述土压传感模块包括基体承压板1，所述基体承压板1下端固定连接有二次承压膜片2，所述基体承压板1和所述二次承压膜片2之间形成密闭油腔3，所述基体承压板1上设有与所述油腔3相连通的注油孔4。
其中，所述注油孔4为两个，对称设在所述基体承压板1的左右两端，其中一个注油孔4连接真空泵，另一个注油孔4连接注油机，一边抽气一边向油腔3内注入液压油，确保油腔3内没有空气残留，注油完成后用顶固螺栓将两个注油孔4密封。
如图3所示，所述渗压传感模块包括金属板10，所述金属板10上端固定有渗压膜片11，所述金属板10下端设有嵌入槽，所述嵌入槽内设有透水石9，透水石9通过环氧胶胶结在所述嵌入槽内，所述金属板10上端设有与所述嵌入槽相连通的开孔，所述渗压膜片11、所述金属板10和所述基体承压板1固定连接。
为了便于所述土压模块和所述渗压模块固定连接，优选地，在所述基体承压板1左右两端分别依次设有向下的台阶安装部一6和台阶安装部二7，所述二次承压膜片2通过螺栓固定连接在所述台阶安装部一6的台阶面上，所述台阶安装部一6和所述二次承压膜片2的连接接触处设有第一密封圈5；所述渗压膜片11、所述金属板10和所述台阶安装部二7通过螺栓固定连接，所述渗压膜片11和所述台阶安装部二7的连接接触处设有第二密封圈18或密封胶。
如图2和图5所示，所述温度传感模块包括温度补偿片8，所述温度补偿片8通过焊接固定在所述二次承压膜片2下端。
如图4所示，所述土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块集成封装为光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其中，所述基体承压板1、所述二次承压膜片2和所述渗压膜片11之间形成密闭空腔12，空腔12内分别设有土压光栅13、渗压光栅15和测温光栅14，所述土压光栅13固定在所述二次承压膜片2上，所述渗压光栅15固定在所述渗压膜片11上，所述测温光栅14固定在所述温度补偿片8上，所述土压光栅13、渗压光栅15和测温光栅14之间通过光纤16串接，所述基体承压板1两端分别设有光纤引出孔17。
优选地，所述土压光栅13沿所述二次承压膜片2的直径方向粘贴在其中心位置上，所述渗压光栅15沿所述渗压膜片11的直径方向粘贴在其中心位置上，能够有效抑制应力不均引起光栅的啁啾效应，从而提高测试精度；所述测温光栅14粘贴在所述温度补偿片8上。
为了避免各传感模块光栅解调波长变化区间相互干扰，选取光栅的初始波长为：所述土压光栅13的初始波长大于所述渗压光栅15的初始波长，所述渗压光栅15的初始波长大于所述测温光栅14的初始波长。
本发明中，所述光纤16的两端分别通过两个光纤引出孔17引出，使得传感器的两端可方便地与其它传感器串接，便于传感器组网测试。其中，所述光纤16与所述光纤引出孔17之间通过密封胶密封。
在现场监测时，首先将本发明的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器埋设于被测土体介质内，基体承压板1感受总压力产生弯曲变形，由于油腔3内的液压油不可压缩，液压油作用在二次承压膜片2上，当二次承压膜片2变形时，引起土压光栅13产生应变，最终引起波长发生变化；渗压膜片11受到水压力时，引起渗压光栅15产生应变，最终引起波长发生变化；测温光栅14不受力，用于补偿环境温度的变化，即通过测温光栅14直接获得环境的温度值，将温度值代入波长公式中可剔除温度效应引起的波长变化量，通过解调设备检测土压光栅13的波长变化、渗压光栅15的波长变化和测温光栅14的波长变化从而解调出对应的土压力、渗透压力和温度值信号，从而实现土压力、渗透压力和温度的同时测量。
本发明光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器的具体测试方法，包括以下步骤：
(1)将所述光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器分别放置在土体介质、液压容器和恒温箱内，按照标准试验方法进行加载标定，测定其土压传感系数、渗压传感系数和温度传感系数；
(2)将所述光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器埋设在被测土体介质的指定测点处，使其感压面与被测压力方向垂直；
(3)采用光纤光栅解调仪记录所述光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器中土压光栅13、渗压光栅15和测温光栅14的中心波长变化，并根据测定的土压传感系数、渗压传感系数和温度传感系数转化获得指定测点处的土压力、渗透压力和环境温度。
本发明将土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块集成封装为一体，优化了监测系统结构，提高了系统的稳定性和可靠性，减少了多参量监测的安装成本，具备耐久性好、灵敏度高、加工方便、对岩土材料适应性强以及构建长期监测网络的优点，为监测系统提供大量而且全面的监测数据，对岩土工程多参量监测具有重要意义。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，包括土压传感模块、渗压传感模块和温度传感模块；
所述土压传感模块包括基体承压板(1)，所述基体承压板(1)下端固定连接有二次承压膜片(2)，所述基体承压板(1)和所述二次承压膜片(2)之间形成密闭油腔(3)，所述基体承压板(1)上设有与所述油腔(3)相连通的注油孔(4)；
所述渗压传感模块包括金属板(10)，所述金属板(10)上端固定有渗压膜片(11)，所述金属板(10)下端设有嵌入槽，所述嵌入槽内设有透水石(9)，所述金属板(10)上端设有与所述嵌入槽相连通的开孔，所述渗压膜片(11)、所述金属板(10)和所述基体承压板(1)固定连接；
所述温度传感模块包括温度补偿片(8)，所述温度补偿片(8)固定在所述二次承压膜片(2)下端；
所述基体承压板(1)、所述二次承压膜片(2)和所述渗压膜片(11)之间形成密闭空腔(12)，空腔(12)内分别设有土压光栅(13)、渗压光栅(15)和测温光栅(14)，所述土压光栅(13)固定在所述二次承压膜片(2)上，所述渗压光栅(15)固定在所述渗压膜片(11)上，所述测温光栅(14)固定在所述温度补偿片(8)上，所述土压光栅(13)、渗压光栅(15)和测温光栅(14)之间通过光纤(16)串接，所述基体承压板(1)两端分别设有光纤引出孔(17)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，所述基体承压板(1)左右两端分别依次设有向下的台阶安装部一(6)和台阶安装部二(7)，所述二次承压膜片(2)通过螺栓固定连接在所述台阶安装部一(6)的台阶面上，所述台阶安装部一(6)和所述二次承压膜片(2)的连接接触处设有第一密封圈(5)。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，所述渗压膜片(11)、所述金属板(10)和所述台阶安装部二(7)通过螺栓固定连接，所述渗压膜片(11)和所述台阶安装部二(7)的连接接触处设有第二密封圈(18)或密封胶。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，所述注油孔(4)为两个，对称设在所述基体承压板(1)的左右两端，其中一个注油孔(4)连接真空泵，另一个注油孔(4)连接注油机。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，所述土压光栅(13)沿所述二次承压膜片(2)的直径方向粘贴在其中心位置上，所述渗压光栅(15)沿所述渗压膜片(11)的直径方向粘贴在其中心位置上，所述测温光栅(14)粘贴在所述温度补偿片(8)上。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅土压-渗压-温度多参量传感器，其特征在于，所述土压光栅(13)的初始波长大于所述渗压光栅(15)的初始波长，所述渗压光栅(15)的初始波长大于所述测温光栅(14)的初始波长。
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