CN110411353B - 大量程光纤光栅位移监测装置和系统 - Google Patents

大量程光纤光栅位移监测装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大量程光纤光栅监测装置，其特征在于：用于监测待测目标的应变并将所述应变对应缩放为小应变的应变采集传递组件和用于测量因所述应变导致的光纤光栅波长变化的测量组件，所述应变采集传递组件的后端与待测目标连接，所述应变采集组件的前端与所述测量组件连接。本发明通过建立基体大应变‑光纤光栅小应变的应变传递机制，将待测目标物体的大应变经位移采集传递装置的后端转换为位移采集传递装置的前端的小应变，通过位移检测装置测量位移采集传递装置的前端的小应变，最后通过处理器计算获得待测目标的大应变对应的位移。

Description

大量程光纤光栅位移监测装置和系统
技术领域
本发明涉及一种工程量具领域，尤其涉及一种大量程光纤光栅位移监测装置和系统。
背景技术
工程结构中，较大位移响应会影响到结构的可靠性，因此对桥梁、房屋、边坡、基坑和桩基等结构体的变形监测显得尤为重要。传统的监测方法监测效率低、测量成本较高、自动化程度低且测量精度较低。近些年，光纤传感器由于其智能化的实时监测，在各行业中存在巨大的应用市场。尤其准分布式光纤布拉格光栅作为目前应用最广泛、最成熟的光纤传感器技术，具有重量轻、体积小、精度高、耐高温、耐腐蚀、智能化特点，在结构/岩土工程结构监测中已经得到了广泛的应用。
但现有光纤光栅可精准测量的最大应变仅为±3000uε，测量量程小，无法对产生大应变变形的基坑、边坡等结构体进行准确量测。换言之，如何利用光纤光栅传感器进行大变形测量是工程界研究的技术难点，许多学者进行了诸多大应变检测新方法方面的尝试，如对预应力钢绞线张拉至5000uε后再粘贴光纤光栅的预应力测量方法，但是上述方法结构复杂、加工难度较大且测量精度无法达到预设要求。
因此，亟需一种能够进行应变全程监测且测量精度高的可测量大位移的光纤光栅传感器和监测系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于设计一种结构简单、精度较高，布设方便、测量量程较大的光纤光栅位移传感器和监测系统。通过位移采集传递组件将待测目标的大位移量转换为光纤光栅可实时测量的应变量，因此可以满足大量程位移监测的要求，同时又较好利用光纤光栅在传感技术领域中的优良性能，从而解决目前光纤光栅传感器测量量程有限这一问题。
本发明提供一种大量程光纤光栅位移监测装置，其特征在于：包括：用于监测待测目标的实时位移量并将所述实时位移量转换为可测位移量的位移采集传递组件和将所述可测位移量转换为光纤光栅的波长漂移并实时测量光纤光栅的波长的光纤测量组件，所述位移采集传递组件的输入端与待测目标固定连接，所述位移采集传递组件的输出端与所述光纤测量组件连接。
进一步，所述位移采集传递组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂和第二测量臂铰接形成X形结构，所述第一测量臂和第二测量臂的后端均向外折弯形成延伸测量子臂L3，第一测量臂后端端部和第二测量臂后端端部连线的中垂线过铰接点，第一测量臂的前端端部到铰接点的臂长L1小于第一测量臂的铰接点到折弯点的臂长L2，第二测量臂的前端端部到铰接点的臂长与第一测量臂的前端端部到铰接点的臂长长度相等，所述第一测量臂后端端部和第二测量臂后端端部均与待测目标固定连接，所述第一测量臂前端端部和第二测量臂前端端部与所述光纤测量组件连接。
进一步，所述光纤测量组件包括用于支撑光纤光栅的弹性基片、光纤光栅、光脉冲发射装置和用于检测所述光纤光栅波长变化的光时域放射仪，所述光纤光栅包括光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹性基片的上表面和下表面，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ串联后经光纤与所述光时域放射仪连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述光时域放射仪和所述光纤的公共连接处连接，所述弹性基片相对的两侧分别与第一测量臂和第二测量臂的前端端部固定连接，且第一测量臂和第二测量臂的前端端部连线的中垂线与所述弹性基片的过铰接点的对称轴重合。
进一步，所述位移采集传递组件还包括第一阻尼弹簧和第二阻尼弹簧，所述第一阻尼弹簧和第二阻尼弹簧用于将位移采集传递组件的前端传递的位移量进一步转换，并将转换后的应变传递至所述弹性基片，所述第一阻尼弹簧设置于第一测量臂前端端部与弹性基片之间，所述第二阻尼弹簧设置于第二测量臂前端端部与弹性基片之间。
相应的，本发明还提供一种大量程光纤光栅位移监测系统，包括监测装置和根据监测装置的光纤光栅波长漂移量计算待测目标位移的处理器，所述处理器与检测装置的光时域放射仪的输出端连接；
所述处理器按照如下方法计算待测目标的位移量LX：
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受拉力时，待测目标的位移量LX采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000031
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受压力时，待测目标的位移量LX采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000032
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
其中，前端位移Ls采用如下方法计算，
Figure GDA0003209637560000041
Figure GDA0003209637560000042
其中，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，Δε表示光纤光栅组件的应变，Δλ表示光纤光栅波长变化值，λ表示光纤光栅波长值，A表示光纤光栅的原长度，K1表示光纤光栅的弹性基片的弹性系数，K2表示第一阻尼弹簧的弹性系数，K3表示第二阻尼弹簧的弹性系数，Kε表示光纤光栅的应变灵敏系数。
进一步，还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述处理器的输出端连接。
进一步，还包括储存器，所述处理器与处理器通信连接。
本发明的有益技术效果：通过应变采集传递组件将待测目标的实时位移转换为光纤光栅的可测量应变，将所述可测应变量转换为光纤光栅的波长变化，通过光时域放射仪测量光纤光栅的波长，根据波长变化量及转换修正算法获得待测目标位移量，从而实现以光纤光栅的可测量量程测量待测目标的实时应变，达到提高光纤光栅的测量量程的有益技术效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的光纤光栅感知装置的机构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种大量程光纤光栅位移监测装置，其特征在于：包括：用于监测待测目标的实时位移量并将所述实时位移量转换为可测位移量的位移采集传递组件和将所述可测位移量转换为光纤光栅的波长的漂移量并实时测量光纤光栅的波长的光纤测量组件，所述位移采集传递组件的输入端与待测目标连接，所述位移采集传递组件的输出端与所述光纤测量组件连接。
所述位移监测装置用于测量土木工程和水利水电工程等重大结构中，如土木建筑的边坡、基坑、梁体等结构在受拉力或压力的形变导致的裂缝和滑动导致的位移。
在本实施例中，所述位移采集传递组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂1和第二测量臂2，所述第一测量臂1和第二测量臂2铰接形成X形结构，所述第一测量臂1和第二测量臂2的后端均向外折弯形成延伸测量子臂L3，第一测量臂后端端部1.2和第二测量臂后端端部2.2连线的中垂线过铰接点，第一测量臂的前端端部1.1到铰接点的臂长L1小于第一测量臂1的铰接点A到折弯点B的臂长L2，第二测量臂的前端端部2.1到铰接点A的臂长与第一测量臂的前端端部1.1到铰接点A的臂长相等，所述第一测量臂后端端部1.2和第二测量臂后端端部2.2均与待测目标固定连接，所述第一测量臂后端端部1.2和第二测量臂后端端部2.2为监测装置的输入端，所述第一测量臂前端端部1.1和第二测量臂前端端部2.1与所述光纤测量组件连接，所述第一测量臂前端端部1.1和第二测量臂前端端部2.1为监测装置的输出端。所述第一测量臂后端端部或第二测量臂后端端部与待测目标的位移参考面固定连接，和所述第一测量臂后端端部或第二测量臂后端端部与待测目标的预测位移移动面固定连接，形成第一测量臂互为参考面和移动面的测量结构。其中，前端和后端如图2所示，其中图片所示上方为前端，图片所示下方为后方。
其中，所述第一测量臂1和第二测量臂2的后端折弯可以为一个或多个，本领域技术人员可根据实际测量需要进行选择，第一测量臂1和第二测量臂2可以采用金属臂或者塑料臂，第一测量臂1和第二测量臂2采用拼接或一体成型，在本实施例中选用的是一体成型的金属臂；第一测量臂1和第二测量臂2组成以铰接点A为杠杆支点的杠杆组件，所述杠杆组件将待测目标的大应变转换为第一测量臂1和第二测量臂2的前端之间的小应变。
位移采集传递组件通过左右完全对称的结构精准检测基坑、边坡等待测目标的检测点的应变，并将待测目标的应变精确转换为位移采集传递组件输出端位于同一直线的一组相对或相向的一组压力或拉力，即，实现了待测目标的应变量转换为可测应变量的精准转换，减少因结构的原因引起的实时应变与可测量应变之间的转换的误差；此外，第一测量臂1和第二测量臂2的后端均向外折弯可增加应变采集传递组件的采集应变的范围，进一步增大光纤光栅的量程。
第一测量臂1和第二测量臂2完全对称的设置使位移采集转换装置的受力均匀、位移转换精度高，且可提高位移采集转换装置的灵敏度，即，待测目标发生微小位移都能引发位移采集转换装置的形变。
在本实施例中，所述光纤测量组件包括支撑光纤光栅的弹性基片5、光纤光栅6、光脉冲发射装置和用于检测所述光纤光栅波长变化的光时域放射仪，所述光纤光栅6包括光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹性基片5的上表面和下表面，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ串联后经光纤与所述光时域放射仪连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述光时域放射仪和所述光纤的公共连接处连接，所述弹性基片5相对的两侧分别与第一测量臂1和第二测量臂2的前端端部固定连接，且第一测量臂1和第二测量臂2的前端端部连线的中垂线与所述弹性基片的过铰接点的对称轴重合。
其中，弹性基片5用于铺设光纤布拉格光栅6并对光纤光栅6进行保护；所述光时域放射仪采用现有的光时域放射仪，在此不再赘述；通过上述结构，将第一测量臂和第二测量臂的输出端位于同一直线的一组相对或相向的一组压力或拉力严格精准地转换为弹性基片的形变；光纤光栅沿弹性基片的周长铺设，即弹性基片的形变可等效为光纤光栅的形变，光纤光栅的形变通过其波长测量；
光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹性基片的两侧可避免因温度导致的光纤光栅波长的漂移，使光纤光栅波长的变化仅有弹性基片的形变引发，提高测量精度，即，通过上述结构精准的反应待测目标的位移。
在本实施例中，所述位移采集传递组件还包括第一阻尼弹簧3和第二阻尼弹簧4，所述第一阻尼弹簧3和第二阻尼弹簧4用于将位移采集传递组件的前端传递的位移量进一步转换，并将转换后的应变量传递至弹性基片5，所述第一阻尼弹簧3设置于第一测量臂前端端部1.1与弹性基片之间，所述第二阻尼弹簧4设置于第二测量臂前端顶部2.1与弹性基片5之间。
通过阻尼弹簧的进一步转换，进一步转换应变采集传递组件输出端的应变，减小弹性基片的形变程度，保护光纤布拉格光栅不被拉断或压断。
相应的本发明还提供一种大量程光纤光栅位移监测系统，其特征在于：包括检测装置和根据检测装置的光纤光栅波长的变化计算待测目标应变对应的位移量的处理器，所述处理器与检测装置的光时域放射仪的输出端连接。通过上述技术方案，可准确采集转换待测目标的应变并将准确计算应变量。
在本实施例中，所述待测目标的位移量LX采用如下方法计算，
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受拉力时，待测目标的位移量LX采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000071
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受压力时，待测目标的位移量Lx采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000081
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
其中，前端位移Ls采用如下方法计算，
Figure GDA0003209637560000082
Figure GDA0003209637560000083
其中，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，Δε表示光纤光栅组件的应变，Δλ表示光纤光栅波长变化值，λ表示光纤光栅波长值，A表示光纤光栅的原长度，K1表示光纤光栅的弹性基片的弹性系数，K2表示第一阻尼弹簧的弹性系数，K3表示第二阻尼弹簧的弹性系数，Kε表示光纤光栅的应变灵敏系数。
通过上述方法，可通过光纤光栅波长的漂移准确计算待测目标位移。
当后端有两个或另个以上的折弯时，所述所述待测目标的位移量Lx采用如下方法计算：
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受拉力时，待测目标的位移量Lx采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000084
Figure GDA0003209637560000091
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一(二)测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一(二)测量铰接点到第1个折弯点的臂长度，Li表示第一(二)测量臂的第i-1个折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θi表示第一(二)测量臂的第i-1个折弯部的预设外角角度；θn表示第一(二)测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受压力时，待测目标的位移量Lx采用如下方法计算：
Figure GDA0003209637560000092
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一(二)测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一(二)测量铰接点到第1个折弯点的臂长度，Li表示第一(二)测量臂的第i-1个折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θi表示第一(二)测量臂的第i-1个折弯部的预设外角角度；θn表示第一(二)测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
其中，前端位移Ls采用如下方法计算，
Figure GDA0003209637560000093
Figure GDA0003209637560000094
其中，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，Δε表示光纤光栅组件的应变，Δλ表示光纤光栅波长变化值，λ表示光纤光栅波长值，A表示光纤光栅的原长度，K1表示光纤光栅的弹性基片的弹性系数，K2表示第一阻尼弹簧的弹性系数，K3表示第二阻尼弹簧的弹性系数，Kε表示光纤光栅的应变灵敏系数。
通过上述方法，可通过光纤布拉格光栅波长的变化准确计算待测目标位移量，并可进一步增大光纤光栅的测量量程。
在本实施例中，还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述处理器的输出端连接。所述显示装置采用现有的触控显示屏，本领域技术人员可根据实际需要选用适合的触控显示屏，如LED触控显示屏。
在本实施例中，还包括储存器，所述处理器与处理器通信连接。所述存储器采用现有的存储器，本领域技术人员可根据实际需要选用合适的存储器。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽臂参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (3)

1.一种大量程光纤光栅位移监测系统，其特征在于：所述系统包括大量程光纤光栅位移监测装置和根据监测装置的光纤光栅波长漂移量计算待测目标位移的处理器，所述处理器与监测装置的光时域放射仪的输出端连接；
其中，所述大量程光纤光栅位移监测装置包括：用于监测待测目标的实时位移量并将所述实时位移量转换为可测位移量的位移采集传递组件和将所述可测位移量转换为光纤光栅的波长漂移并实时测量光纤光栅的波长的光纤测量组件，所述位移采集传递组件的输入端与待测目标固定连接，所述位移采集传递组件的输出端与所述光纤测量组件连接；
所述位移采集传递组件包括结构和尺寸均相同的第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂和第二测量臂铰接形成X形结构，所述第一测量臂和第二测量臂的后端均向外折弯形成延伸测量子臂L3，第一测量臂后端端部和第二测量臂后端端部连线的中垂线过铰接点，第一测量臂的前端端部到铰接点的臂长L1小于第一测量臂的铰接点到折弯点的臂长L2，第二测量臂的前端端部到铰接点的臂长与第一测量臂的前端端部到铰接点的臂长长度相等，所述第一测量臂后端端部和第二测量臂后端端部均与待测目标固定连接，所述第一测量臂前端端部和第二测量臂前端端部与所述光纤测量组件连接；
所述光纤测量组件包括用于支撑光纤光栅的弹性基片、光纤光栅、光脉冲发射装置和用于检测所述光纤光栅波长变化的光时域放射仪，所述光纤光栅包括光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ对称设置在弹性基片的上表面和下表面，所述光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ串联后经光纤与所述光时域放射仪连接，所述光脉冲发射装置经耦合器与所述光时域放射仪和所述光纤的公共连接处连接，所述弹性基片相对的两侧分别与第一测量臂和第二测量臂的前端端部固定连接，且第一测量臂和第二测量臂的前端端部连线的中垂线与所述弹性基片的过铰接点的对称轴重合；
所述位移采集传递组件还包括第一阻尼弹簧和第二阻尼弹簧，所述第一阻尼弹簧和第二阻尼弹簧用于将位移采集传递组件的前端传递的位移量进一步转换，并将转换后的应变传递至所述弹性基片，所述第一阻尼弹簧设置于第一测量臂前端端部与弹性基片之间，所述第二阻尼弹簧设置于第二测量臂前端端部与弹性基片之间；
所述处理器按照如下方法计算待测目标的位移量LX：
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受拉力时，待测目标的位移量LX采用如下方法计算：
Figure FDA0003209637550000021
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
当第一测量臂和第二测量臂的后端端部受压力时，待测目标的位移量LX采用如下方法计算：
Figure FDA0003209637550000022
其中，LX表示测量目标的位移，L1表示第一测量臂前端到铰接点的臂长度，L2表示第一测量铰接点到折弯点的臂长度，L3表示第一测量臂折弯部的臂长度，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，θ1表示第一测量臂和第二测量臂铰接处的外角角度；θ2表示第一测量臂的第1个折弯部的预设外角角度；θ3表示第一测量臂后端端部与待测目标的预设外角角度；
其中，前端位移Ls采用如下方法计算，
Figure FDA0003209637550000031
Figure FDA0003209637550000032
其中，LS表示第一测量臂和第二测量臂的前端位移，Δε表示光纤光栅组件的应变，Δλ表示光纤光栅波长变化值，λ表示光纤光栅波长值，A表示光纤光栅的原长度，K1表示光纤光栅的弹性基片的弹性系数，K2表示第一阻尼弹簧的弹性系数，K3表示第二阻尼弹簧的弹性系数，Kε表示光纤光栅的应变灵敏系数。
2.根据权利要求1所述大量程光纤光栅位移监测系统，其特征在于：还包括显示装置，所述显示装置的输入端与所述处理器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述大量程光纤光栅位移监测系统，其特征在于：还包括储存器，所述处理器与存储器通信连接。
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