CN109990931A - 超薄型光纤隧道围岩压力盒 - Google Patents
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Abstract
本发明名称为超薄型光纤隧道围岩压力盒，是一种监测围岩压力发展动态的装置，尤其是高灵敏度及具有良好时间稳定性的光纤传感器以及超薄厚度的压力盒使监测变得更为可靠，属于土木工程岩土工程领域。设计与研发超薄型光纤隧道围岩压力盒，主要用于监测隧道开挖后围岩压力发展动态，以判定隧道围岩变形发展所处的阶段，进行隧道围与支护岩稳定性分析与预测。试验结果表明：超薄型光纤隧道围岩压力盒性能稳定，线性度、重复性和滞洄性性能良好。已形成可供实验室和现场应用的(单通道)成套的隧道围岩压力监测的成套设备与技术。
Description
技术领域
本发明为一种监测围岩压力发展动态的压力盒，尤其是高灵敏度及具有良好时间稳定性的光纤传感器以及超薄厚度的压力盒使监测变得更为可靠。
背景技术
目前，一般常用测试围岩压力的压力盒是钢弦式压力盒，原理是利用钢弦拉张力(应力)不同，其自振频率也相应变化，通过测得钢弦频率的变化，便得知压力盒膜所受压力的变化。但是，很多压力盒由于所采用的传感器灵敏度不高或不具有良好的时间稳定性，导致所测压力与实际压力之间可能会有所偏差，对后续施工造成影响。
发明内容
为了弥补现有压力盒在盒身设计以及传感器灵敏度上的不足，本发明提供一种围岩压力盒，它由PC插头、薄盒传感器和光强监测器组成。该压力盒由于采用的是光强监测器，使用光纤传感技术使传感器具有良好的重复性，传感器灵敏系数很高，具有良好的时间稳定性。并且在盒身设计上采用的是超薄设计，使压力盒在工作环境中能够更为便捷地使用。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是超薄型光纤隧道围岩压力盒底座设计图。
图2超薄型光纤隧道围岩压力盒上盖设计图。
图3超薄型光纤隧道围岩压力盒底座设计剖面图。
图4是超薄型光纤隧道围岩压力盒的变形特性曲线(1)。
图5是超薄型光纤隧道围岩压力盒的变形特性曲线(2)。
图6是超薄型光纤隧道围岩压力盒的变形特性曲线(3)。
图7是超薄型光纤隧道围岩压力盒的压力特性曲线(1)。
图8是超薄型光纤隧道围岩压力盒的变形特性曲线总图。
图9是超薄型光纤隧道围岩压力盒的压力特性曲线(2)。
图10是光纤传感技术的监测工作流程框图。
图11是恒流源和放大器长期稳定性的曲线。
图12是放大器电路框图。
具体实施方式
1、测定变形时将超薄型光纤隧道围岩压力盒放入变形标定台的狭缝内；测定压力时将超薄型光纤隧道围岩压力盒放在小型加压台上；
2、将入射光和出射光的光纤PC插头插入相应的光源和放大器的插座，并打开仪表电源；3、加变形或压力，由光电仪表记录相应的光强变化；
4、光强输出的光强稳定性由串接在光纤入射端的光强监控器确定。
超薄型光纤隧道围岩压力盒的变形特性曲线如图4、图5、图6所示，试验记录列于表1、表2、表3。压力特性曲线如图7所示，试验记录列于表4。
表1 超薄型光纤隧道围岩压力盒性能检测(1)记录
表2 超薄型光纤隧道围岩压力盒性能检测(2)记录
表3 超薄型光纤隧道围岩压力盒性能检测(3)记录
表4 超薄型光纤隧道围岩压力盒性能检测(4)记录
初步测试成果分析
(1)变形特性成果分析
将试验记录表1、表2、表2的试验数据划在同一曲线图上，即为图8，图上的曲线(I)为盒内的光纤传感针(元件)两端简支，并用高强度胶固定所测得的变形曲线；曲线(II)为传感计一端夹支固定，另一端支(胶固定)的变形曲线；曲线表明，两种固定方法在位移δ[5.0×10-2mm，20.0×10-2mm]变形区间和光衰减系数η均呈良好的线性关系，但一端支的曲线(II)比两端支的曲线(I)的斜率大，即具有较高的变形灵敏系数，光纤传感元件的固定方式会明显影响传感器的灵度。曲线(III)为缩短传感针弯曲有效长度，两端处于支条件的试验曲线，与曲线(I)、(II)相比，具有更高的灵敏系数，并且线性良好。
对压力盒的滞迥特性和长期稳定性的观测表明，由于传感元件——光纤传感针的组成用了胶体，在针的固定方式上也使用了胶体，所以明显存在变形滞后象形，但都可以在续一段时间后回到初始值。
(2)压力特性成果分析
超薄型光纤隧道围岩压力盒的内部结构光纤传感元件φ0.6mm，长38.0mm，两端夹支，工作段长25.0mm；当压力盒在外界压力作用下其弹性膜发生弯曲变形时，弹性膜中心的压头会顶压传感元件，使光纡中的传导光受到调制。
图9为两次加压的试验结果(测得的数据列于表4)，试验曲线表明：两根曲线具有几乎相同的斜率，表明传感器具有良好的重复性和相同的灵敏系数；传感器的灵敏系数很高；本光纤传感器具有良好的时间稳定性。
据上述的试验结果及成果分析可得的下结论：本超薄型光纤隧道围岩压力盒，具有可靠、实用和高灵敏度的优点；用于隧道围岩压力及其稳定性变化监测，将是一种良好的传感监测设备。
二次仪表研究与实验检测
用于光纤传感技术的监测工作流程，由图10所示的结构组成：
本项目主要是研究流程系统中的两项关键仪表：恒流源与电压放大器。
(1)恒流源
恒流源与恒压源不同，恒流源(也称电流源)是保证对用电设备供电的电流保持稳定的供电设备；恒压源是保证对外部用电设备供电的电压保持稳定的供电设备。
光纤传感技术所要求的供电电源，特别是对本题所研究的强度型光纤传感技术的供电电源，由于所需的光信号严格要求发光强度保持稳定，所以采用恒流供电，设计与生产高稳定的恒流电源是重要的关键技术。
本研究所研制出的恒流源和放大器其长期稳定性的曲线如图11，其恒流输出精度已达0.01mA(毫安)。
(2)放大量
监于光功率监测中定电流与测定电压的等价性(两者只相差一个比例常数)，本研究主要进行光电转换的电压放大，光的功率衰减由下式计算：
μi——第i次光强衰减测量的衰减系数，dB；
V0——偶合入光纤的初始光强(电压)，V；
Vi——第i次加载测得的光强(电压)，V。
放大器电路方框图示于图12，放大器的长期稳定的检测结果如表5和曲线图11所示。
表5 I型电流源表头读数与数字表读数比较表
二次仪表研制的结论：本题研制的恒流源和电压放大器的长期稳定性比现有所购买到的国内相应设备优越，其精度与稳定度提高了一个数量级，已能满足隧道工程的监测要求。
Claims (4)
1.一种监测围岩压力发展动态的装置，其特征在于，包括PC插头、薄盒传感器和光强监测器；其中，
所述PC插头，为入射光和出射光的光纤PC插头，用于插入相应的光源和放大器的插座；
所述薄盒传感器，用于传输其所收集的压力数据；
所述光强监测器，串接在光纤入射端，用于确定光强输出的光强稳定性。
2.根据权利要求1所述的监测围岩压力发展动态的装置，其特征是，所述薄盒传感器具体包括：
圆形金属薄盒，用于承受外界压力及保护盒内光纤传感元件；
弹性膜，用于在外界压力作用下产生形变，使其中心的压头顶压传感元件；
光纤传感元件，用于传输所收集到的受到调制的传导光数据。
3.根据权利要求1所述的监测围岩压力发展动态的装置，其特征是，所述光强监测器具体包括：
圆形金属薄盒，用于保护盒内光强监测元件；
光强监测元件，用于确定光强输出的光强稳定性。
4.一种如权利要求1所述的监测围岩压力发展动态的装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测定压力时将超薄型光纤隧道围岩压力盒安装在需要测试的围岩上；
步骤2：将入射光和出射光的光纤PC插头插入相应的光源和放大器的插座，并打开仪表电源；
步骤3：由光电仪表记录相应的光强变化；
步骤4：光强输出的光强稳定性由串接在光纤入射端的光强监控器确定，记录微机输出数据。
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