CN109556524A - 基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统及方法，包括光纤光栅位移监测杆、光纤光栅解调仪和裂缝宽度监测方法。将光纤光栅位移监测杆安装在地裂缝发育的监测区域，通过传输光纤光栅解调仪量测多个光纤光栅位移监测杆之间光纤光栅位移传感器的位移变化量，通过解调仪中无线数据传输模块，将位移数据发送至远程监控室，实现裂缝位移无线监测系统。本发明提出裂缝宽度监测方法，通过裂缝监测区域中两点直线式、三点三角形式传感器的布置工艺，提出裂缝变形位移计算公式，确定裂缝变形的相对位移或绝对位移，解决了采动沉陷区和地下水抽采区等地裂缝测量的高精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝变形宽度的监测系统和裂缝计算方法，特别是一种基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统及方法。主要用于岩土体裂缝或混凝土裂缝的变形监测和数据处理方法。
背景技术
裂缝灾害是受地球内外动力作用下产生的地面或结构形变灾害，包括岩土体地面裂缝、混凝土裂缝。这些裂缝的产生和发展，严重影响着工程寿命和社会稳定。通过对裂缝的长期变形监测，为裂缝发育机理和治理提供理论依据。
目前有关裂缝宽度监测方法方面，将GPS和INSAR技术应用于表面裂缝的变形监测，但上述技术的监测精度受天气、地面障碍物等因素影响而难以满足高精度、连续监测要求。基于电阻类或振弦类位移传感器的测试设备，防潮性能差、耐久性不好，对于裂缝宽度长期监测的准确性、安全性、稳定性等方面有一定局限性。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统，包括光纤光栅位移监测杆、光纤光栅解调仪；所述光纤光栅位移监测杆包括直杆、安装在直杆上的拉线式的光纤光栅位移传感器；两个光纤光栅位移监测杆通过钢丝绳连接，钢丝绳的一端与光纤光栅位移传感器的拉线连接，另一端与直杆连接；光纤光栅位移传感器和光纤光栅解调仪通过光缆连接。
进一步的，所述光纤光栅位移传感器和钢丝绳均水平。
基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测方法，包括如下步骤：
步骤1：安装光纤光栅位移监测杆；所述光纤光栅位移监测杆至少两根分别安装在裂缝两侧，两根光纤光栅位移监测杆的连线垂直于裂缝延伸方向，且其中至少一根光纤光栅位移监测杆安装于裂缝扰动影响区域；将直杆铅直安插在裂缝一侧岩土体中，保证其与岩土体变形协调一致；
步骤2：用光缆连接光纤光栅解调仪和光纤光栅位移传感器，用钢丝绳连接两根光纤光栅位移监测杆的光纤光栅位移传感器和直杆；
步骤3：光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器发送激光信号，激光经光纤光栅传感器反射后返回到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪对从光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号，解算出光纤光栅位移传感器的位移变化量；
步骤4：根据位移变化量计算裂缝宽度变化。
优选的，步骤1中，所述直杆的直径为3-7cm、长度30-150cm，开挖直径为15-30cm、深度为15-75cm的钻孔，将直杆铅直放入钻孔后灌注混凝土浆液，确保直杆与被测岩土体变形协调一致，或者结构物或构筑物施工过程中将直杆预先布置在变形较大的区域，随着工程施工将直杆进行固定。
优选的，所述光纤光栅位移监测杆有两根，均固定在裂缝扰动影响区域，用以测量两点之间相对位移量。
优选的，所述光纤光栅位移监测杆有两根，一根布置在裂缝扰动影响区域，另一根布置在裂缝影响区域外，用以测量地层绝对位移量。
优选的，所述光纤光栅位移监测杆有三根，两根沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧，另外一根布置在裂缝影响区域外，且三根直杆不在同一条直线上。
优选的，步骤4中，裂缝宽度的变化量为ΔL＝L'-L，式中L和L'分别为通过裂缝宽度监测系统所测的相邻直杆的位移变化量。
优选的，步骤4中，两根光纤光栅位移监测杆沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧的B点、C点，另一根光纤光栅位移监测杆布置在裂缝影响区域外的A点，则B点和C点直杆的移动量为式中B＇点、C＇点分别为B点、C点直杆移动变化后的点，BB＇和CC＇分别为B点和C点直杆的移动量，a、b、c分别为三角形布置直杆中BC、AC、AB之间距离，b′、c′分别为AC＇的长度和AB＇的长度。
有益效果：光纤布喇格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)技术作为一项全新的光纤监测技术，基于光纤光栅技术的位移传感器具有分辨率高和灵敏度好、抗电磁干扰和电绝缘性好、易于实现远距离监测等诸多优点。本发明具有如下有益效果：
1、本发明的光纤光栅位移监测杆便于安装光纤光栅位移传感器，便于两个光纤光栅位移监测杆之间光纤光栅位移传感器和直杆的连接；
2、光纤光栅位移监测杆与被测岩土体变形协调一致，能够准确量测裂缝变形；
3、光纤光栅位移监测杆的安装位置可根据实际需要灵活选择；
4、本发明利用光纤光栅位移传感器的精度高、抗干扰能力强的优点，提出裂缝变形的相对位移和绝对位移量测方法，解决了采动沉陷区和地下水抽采区等地裂缝测量的高精度要求。
附图说明
图1为地表裂缝无线测试系统示意图；
图2为位移监测杆横剖面图；
图3为地表裂缝位移监测点布置示意图；
图中标号：1、直杆；2、光纤光栅解调仪；3、光纤光栅位移传感器；4、光缆；5、钢丝绳；6、金属挂钩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释。
本发明提供的裂缝宽度监测系统包括：光纤光栅位移监测杆、光纤光栅解调仪2。光纤光栅位移监测杆包括直杆1、光纤光栅位移传感器3、金属挂钩6。两个光纤光栅位移监测杆通过钢丝绳5连接，钢丝绳5的一端与光纤光栅位移传感器3的拉线连接，另一端与直杆1连接，且光纤光栅位移传感器3和钢丝绳5均水平。光纤光栅位移监测杆和光纤光栅解调仪2通过光缆4连接，光纤光栅解调仪2向光纤光栅位移传感器3发送激光信号，激光经光纤光栅位移传感器3反射后返回到光纤光栅解调仪2，光纤光栅解调仪2对从光纤光栅位移传感器3反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号，然后解算出光纤光栅位移传感器3的位移变化量。
直杆1采用不锈钢材质，直径为3-7cm、长度30-150cm；距离测杆1顶端5cm位置对称布置四个连接端点，其中一个端点固定光纤光栅位移传感器3，另三个端点固定金属挂钩6；直杆1底端呈锥形状，将埋藏于地面以下一定深度范围内并灌注混凝土固定。
光纤光栅位移传感器3为拉线式，长度为30-50cm，测试量程为0-15cm，测试精度为0.015cm。锚固段固定于直杆1，光纤光栅位移传感器3垂直于直杆1。
金属挂钩6采用不锈钢材质，长度为3-5cm，在外力作用下不发生弯曲变形，连接于直杆1的指定端点。
钢丝绳5，直径为0.2-0.5cm，连接两台光纤光栅位移监测杆中光纤光栅位移传感器3和金属挂钩6，具有抗蠕变、防锈蚀等特点，满足裂缝长期测量的要求。
光纤光栅解调仪2多通道并行采集光纤光栅波长信息，包括：激光发射装置，用于生成激光束；激光输入输出端口，用于将激光输出到传输光缆中；激光解调装置，用于解调被反射的激光信号；无线数据输出端口，用于将数据信息无线传输给监测室或客户端；数据处理分系统，作为数据处理和逻辑判断单元，用于对与传感器波长变化有关的信息进行分析和判断，得出光纤光栅位移传感器的位移变量。
直杆1的安装方法为，通过钻机开挖直径为15-30cm、深度为15-75cm的钻孔，将直杆1铅直放入钻孔后灌注混凝土浆液，确保直杆1与被测岩土体或混凝土变形协调一致。或者结构物或构筑物施工过程中将直杆1预先布置在变形较大的区域，随着工程施工将直杆1进行固定。
测试区中直杆1的布设方法为，根据地表裂缝的延伸方向，主要布设形式有两点直线式布设和三点三角形式布设。
(1)两点直线式布设，其特征为，两个直杆1与裂缝的延伸方向垂直布置；将两个直杆1固定在裂缝扰动影响区域，量测两点之间相对位移；或一个直杆1布置在裂缝扰动影响区域，另一个直杆布1置在裂缝影响区域外，量测两点之间绝对位移。
(2)三点三角形式布设，其特征为，将两个直杆1沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧，另外一个直杆1布置在裂缝影响区域外，但这三点不在一条直线上。
最后，根据直杆1两点直线式布设和三点三角形式布设，计算直杆1的移动距离。
(1)当直杆1两点直线布设时，其直杆1间的相对位移或绝对位移的计算公式为ΔL＝L'-L。式中L和L'分别为通过光纤光栅位移传感器3所量测的裂缝宽度变化前后位移量。
(2)当直杆1三点三角形布设时，两根沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧的B点、C点，另一根布置在裂缝影响区域外的A点，则B点和C点直杆1的移动量为
式中B＇点、C＇点分别为B点、C点直杆1移动变化后的点，BB＇和CC＇分别为B点和C点直杆1的移动量，a、b、c分别为三角形布置直杆1中BC、AC、AB之间距离，b′、c′分别为AC＇的长度和AB＇的长度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统，其特征在于，包括光纤光栅位移监测杆、光纤光栅解调仪；所述光纤光栅位移监测杆包括直杆、安装于直杆的拉线式光纤光栅位移传感器；两个光纤光栅位移监测杆通过钢丝绳连接，钢丝绳的一端与光纤光栅位移传感器的拉线连接，另一端与直杆连接；光纤光栅位移传感器和光纤光栅解调仪通过光缆连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统，其特征在于，所述光纤光栅位移传感器和钢丝绳均水平。
3.基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：安装光纤光栅位移监测杆；所述光纤光栅位移监测杆至少两根分别安装在裂缝两侧，两根光纤光栅位移监测杆的连线垂直于裂缝延伸方向，且其中至少一根光纤光栅位移监测杆安装于裂缝扰动影响区域；将直杆铅直安插在裂缝一侧岩土体中，保证其与岩土体变形协调一致；
步骤2：用光缆连接光纤光栅解调仪和光纤光栅位移传感器，用钢丝绳连接两根光纤光栅位移监测杆的光纤光栅位移传感器和直杆；
步骤3：光纤光栅解调仪向光纤光栅传感器发送激光信号，激光经光纤光栅传感器反射后返回到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪对从光纤光栅传感器反射回来的激光进行解调处理，并得出反射激光的波长信号，解算出光纤光栅位移传感器的位移变化量；
步骤4：根据位移变化量计算裂缝宽度变化。
4.根据权利要求3所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，步骤1中，所述直杆的直径为3-7cm、长度30-150cm，开挖直径为15-30cm、深度为15-75cm的钻孔，将直杆铅直放入钻孔后灌注混凝土浆液，确保直杆与被测岩土体变形协调一致，或者结构物或构筑物施工过程中将直杆预先布置在变形较大的区域，随着工程施工将直杆进行固定。
5.根据权利要求3所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，所述光纤光栅位移监测杆有两根，均固定在裂缝扰动影响区域，用以测量两点之间相对位移量。
6.根据权利要求3所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，所述光纤光栅位移监测杆有两根，一根布置在裂缝扰动影响区域，另一根布置在裂缝影响区域外，用以测量两点之间绝对位移量。
7.根据权利要求3所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，所述光纤光栅位移监测杆有三根，两根沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧，另外一根布置在裂缝影响区域外，且三根直杆不在同一条直线上。
8.根据权利要求5或6所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，步骤4中，裂缝'宽度的变化量为ΔL＝L'-L，式中L和L分别为通过裂缝宽度监测系统所测的相邻直杆的位移变化量。
9.根据权利要求7所述的裂缝宽度监测方法，其特征在于，步骤4中，两根光纤光栅位移监测杆沿垂直于裂缝延伸方向分别布置裂缝扰动影响区域裂缝两侧的B点、C点，另一根光纤光栅位移监测杆布置在裂缝影响区域外的A点，则B点和C点直杆的移动量为式中B＇点、C＇点分别为B点、C点直杆移动变化后的点，BB＇和CC＇分别为B点和C点直杆的移动量，a、b、c分别为三角形布置直杆中BC、AC、AB之间距离，b′、c′分别为AC＇的长度和AB＇的长度。
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