CN110424362A - 一种光纤式温度自补偿静力触探传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤式温度自补偿静力触探传感器，该传感器包括锥头、与该锥头组装成一体的摩擦筒，该传感器还包括导接杆，该导接杆内设有空腔，导接杆两端分别设有通线孔、导柱孔，两孔均与空腔导通；导接杆靠其导柱孔方向端设置在摩擦筒内，摩擦筒内且在所述锥头上固定有传力柱以及橡胶圈，传力柱伸入导柱孔内，导接杆靠导柱孔方向端顶持在橡胶圈上；空腔内设有压力感测梁，压力感测梁一端顶持在空腔内壁上、另一端顶持在传力柱上；压力感测梁上粘贴有光纤光栅，该光纤光栅连接通信光纤，该通信光纤经通线孔从空腔内伸出。本发明能克服传统静力触探仪长期在地下水环境中使用传感器容易损坏，既不经济还延误施工的缺点。

Description

一种光纤式温度自补偿静力触探传感器

技术领域

本发明属于岩土工程勘察静力触探装置领域，尤其涉及一种能够利用光纤传感技术有效确定土体参数、对地基土进行力学分层并判别土的类型、确定浅基承载力、单桩竖向承载力等的光纤式温度自补偿静力触探传感器。

背景技术

静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术从出现至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些新的发明和应用对于工程地质勘探和测试技术的发展具有里程碑的意义，目前已成为岩土工程行业原位测试中最基本的试验手段，但是广泛使用的静力触探仪都是以电测式为主，传感器采用应变片传感器，长期在地下水环境中使用，不但使传感器容易损坏，而且影响测试精度，从而对工程施工造成很大影响。

光纤光栅是最近几十年发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。自从1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅。1989年，G.Meltz等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化。到1993年，光纤增敏技术的进步和相位掩模板的使用，使光纤光栅实现批量生产。当前FBG的制作与应用研究成为世界各国光纤技术研究的热点和重点。光纤光栅传感器除具有光纤传感器的全部优点外，还具备其独特的优越性，如：抗干扰能力强、光纤光栅是自参考的，可以进行绝对测量、传感探头结构简单、便于构成各种形式的光纤传感网络，并且特别适于恶劣环境中应用。光纤传感器作为一种新型的传感器件已应用到各个领域，发挥着重要的作用。光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电传感器相比具有很多优势。

在贯入过程中，由于埋藏在地层中的各种土的物理力学性质不同，探头遇到的阻力也不同，因此随着探头深入土体，其受到的阻力在不断改变，利用光纤本身具有的敏感特性，会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使光纤光栅的反射和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获得相应的温度、应变和压力信息。因而更能精确的探测到地下土体的力学特性。根据这一原理，本发明基于常规的静力触探探头，提出了一种可以方便、快捷、测试成本低廉的原位测试仪器，为岩上工程实践提供有力的测试工具。

发明内容

本发明的目的在于针对国内现有单桥静探技术存在的缺陷，提出一种用于岩土工程、确定土体参数、对地基土进行力学分层并判别土的类型、确定浅基承载力、单桩竖向承载力的光纤式温度自补偿静力触探传感器。

本发明是这样实现的，一种光纤式温度自补偿静力触探传感器，该传感器包括锥头、与该锥头组装成一体的摩擦筒，该传感器还包括导接杆，该导接杆内设有空腔，所述导接杆两端分别设有通线孔、导柱孔，两孔均与空腔导通；

所述导接杆靠导柱孔方向端设置在摩擦筒内，所述摩擦筒内且在所述锥头上固定有传力柱以及橡胶圈，所述传力柱伸入导柱孔内，所述导接杆靠导柱孔方向端顶持在橡胶圈上；

所述空腔内设有压力感测梁，所述压力感测梁一端顶持在空腔内壁上、另一端顶持在传力柱上；所述压力感测梁上粘贴有光纤光栅，该光纤光栅连接通信光纤，该通信光纤经通线孔从空腔内伸出。

优选地，该传感器还包括螺柱，该螺柱装配在通线孔的靠所述空腔方向端；其中，所述压力感测梁一端顶持在该螺柱上、另一端顶持在传力柱上。

优选地，该传感器还包括密封圈，该密封圈轴心设有光纤导孔，且该密封圈装配在通线孔的远离所述空腔方向端。

优选地，所述摩擦筒与锥头通过螺纹连接方式装配成一体；所述摩擦筒在其轴心方向上的内部分为第一筒体、第二筒体、以及位于第一筒体、第二筒体之间的连接筒体，所述第一筒体半径大于第二筒体，所述第一筒体位于靠锥头方向端；所述导接杆位于摩擦筒内杆体形状与摩擦筒内部结构适配。

优选地，所述压力感测梁为门字梁，该门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有一光纤光栅。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过光纤光栅取代传统的应变片传感器，实现光纤传感，得以克服传统静力触探仪长期在地下水环境中使用传感器容易损坏、既不经济还延误施工的缺点；

(2)本发明通过所引入的压力感测梁结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响，使本发明具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点，为岩土工程勘察提供便利，更好的服务于工程应用。

附图说明

图1是本发明光纤式温度自补偿静力触探传感器的内部剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1是本发明光纤式温度自补偿静力触探传感器的内部剖面结构示意图。

本发明公开了一种光纤式温度自补偿静力触探传感器，该传感器包括锥头1、与该锥头1组装成一体的摩擦筒2，该传感器还包括导接杆3，该导接杆3内设有空腔，所述导接杆3两端分别设有通线孔、导柱孔，两孔均与空腔导通；

所述导接杆3靠导柱孔方向端设置在摩擦筒2内，所述摩擦筒2内且在所述锥头1上固定有传力柱4以及橡胶圈5，所述传力柱4伸入导柱孔内，所述导接杆3靠导柱孔方向端顶持在橡胶圈5上；

所述空腔内设有压力感测梁6，所述压力感测梁6一端顶持在空腔内壁上、另一端顶持在传力柱4上；所述压力感测梁6上粘贴有光纤光栅7，该光纤光栅7连接通信光纤8，该通信光纤8经通线孔从空腔内伸出。

本发明的工作原理在于，传感器摩擦筒2和锥头1均匀受力并钻入地下的过程中，摩擦筒2受土体的摩阻力(侧摩阻力)，锥头1受土体的压力(锥尖阻力)，两作用力之和即为贯入阻力，共同压迫传立柱4和橡胶圈5，橡胶圈5在被压迫后会产生压缩形变，并起到防水作用，传力柱4则压迫压力感测梁6产生微小的轴向应变，而粘贴在其侧面的光纤光栅7将产生与其相同的应变，从而导致光纤光栅7的中心反射波长发生变化，将光纤光栅7通过通信光纤连接到光纤光栅解调设备，以此来监测光纤光栅7中心波长的漂移，从而得到每个传感器波长和贯入阻力的关系。

在本发明实施例中，为确保传感器结构的稳定性，该传感器还包括螺柱9，该螺柱装配在通线孔的靠所述空腔方向端；其中，所述压力感测梁6一端顶持在该螺柱上、另一端顶持在传力柱4上。在本实施例中，螺柱9应当与通线孔通过螺纹方式连接，并且螺柱9内应当设有光纤通道。

在本发明实施例中，为确保传感器具有良好的防水性能，该传感器还包括密封圈10，该密封圈10轴心设有光纤导孔，且该密封圈10装配在通线孔的远离所述空腔方向端。在本实施例中，通信光纤8依次穿过螺柱9、密封圈10与外部设备连接。

在本发明实施例中，为便于传感器的拆装、维修，所述摩擦筒2与锥头1通过螺纹连接方式装配成一体；所述摩擦筒2在其轴心方向上的内部分为第一筒体、第二筒体、以及位于第一筒体、第二筒体之间的连接筒体，所述第一筒体半径大于第二筒体，所述第一筒体位于靠锥头1方向端；所述导接杆3位于摩擦筒2内杆体形状与摩擦筒2内部结构适配。在本实施例中，将光纤光栅7粘贴在压力感测梁6上，将通信光纤8与光纤光栅7连接并穿过螺柱9、密封圈10，将螺柱9、密封圈10固定在导接杆3的通线孔内，将压力感测梁6一端固定在螺柱9上、另一端正对导柱孔，将导接杆3靠通线孔方向端从摩擦筒2靠锥头1方向端插入并穿出，此时，导接杆3的空腔、导柱孔均位于摩擦筒2内，将橡胶圈5按图示位置放置，将传力柱4置于导接杆3的导柱孔内并通过螺纹连接方式与压力感测梁6端部连接，最后将锥头1拧紧在摩擦筒2上。

在本发明实施例中，根据已有的典型应变增敏模型之管柱增敏结构，同时考虑到其传感器必须有一定的强度并且能够在受压以后产生一定弹性形变，更具体的，所述压力感测梁6为门字梁，该门字梁包括与导接杆3轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有一光纤光栅7。在该实施例中，压力感测梁6的四个侧面分别粘贴有一光纤光栅7。

在本发明的实际应用过程中，该静力触探传感器应当符合国际标准，包括锥头1、摩擦筒2等所采用的材料、规格大小等。此外，光纤光栅7在压力感测梁6上粘贴所用胶为美国EPOXYTECHNOLOGY公司生产的EPO-TEK353ND型双组分环氧树脂胶。当在传感器的上底面均匀施加压力时，门字梁会发生微小的轴向应变，而粘贴在其侧面的光纤光栅7将产生与其相同的应变，从而导致的中心反射波长发生变化，这种波长的改变经过光纤光栅7解调仪采集并传输到计算机，计算机可将光纤光栅7波长的改变转换成为比贯入阻力的变化。

由此传感器结构可知：

P₀＝k₀·ε₀ (1)

P₀为传感器探头的贯入土体阻力，包括锥头1阻力和摩擦筒2阻力之和，ε₀为门字梁受压下的轴向应变，k₀为比例系数。

其中Δλ为光纤光栅7波长变化，λ为光纤光栅7初始波长，k₁为应变比例系数，k₂为温度比例系数，ε为光纤光栅7应变，ΔT为温度变化。

从而在门字梁四个侧面均贴有光纤光栅7，产生的应变分别为，ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，波长及波长变化量分别为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄和Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，其中：

ε₀＝(ε₁-ε₂-ε₃+ε₄)/4 (3)

则：

温度项被约掉，令：

带入式(1)简化得：

P₀＝w₀·Δλ₀ (7)

式中w₀为比例系数，可以通过室内标定试验得到；

则本发明单桥探头的比贯入阻力可按下列公式计算：

Ps＝w₀·Δλ₀/A₀ (8)

式中Ps为比贯入阻力，A₀为传感器探头平面投影面积。

本发明通过光纤光栅7取代传统的应变片传感器，实现光纤传感，得以克服传统静力触探仪长期在地下水环境中使用传感器容易损坏、既不经济还延误施工的缺点；此外，由上述计算过程可以看出，本发明通过所引入的压力感测梁6结构，能确保后续的数据处理计算中将温度项自动抵消，从而实现温度自补偿、消除温度对传感器的影响，使本发明具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点，为岩土工程勘察提供便利，更好的服务于工程应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤式温度自补偿静力触探传感器，该传感器包括锥头、与该锥头组装成一体的摩擦筒，其特征在于，该传感器还包括导接杆，该导接杆内设有空腔，所述导接杆两端分别设有通线孔、导柱孔，两孔均与空腔导通；

所述导接杆靠其导柱孔方向端设置在摩擦筒内，所述摩擦筒内且在所述锥头上固定有传力柱以及橡胶圈，所述传力柱伸入导柱孔内，所述导接杆靠导柱孔方向端顶持在橡胶圈上；

所述空腔内设有压力感测梁，所述压力感测梁一端顶持在空腔内壁上、另一端顶持在传力柱上；所述压力感测梁上粘贴有光纤光栅，该光纤光栅连接通信光纤，该通信光纤经通线孔从空腔内伸出。

2.如权利要求1所述的光纤式温度自补偿静力触探传感器，其特征在于，该传感器还包括螺柱，该螺柱装配在通线孔的靠所述空腔方向端；其中，所述压力感测梁一端顶持在该螺柱上、另一端顶持在传力柱上。

3.如权利要求1所述的光纤式温度自补偿静力触探传感器，其特征在于，该传感器还包括密封圈，该密封圈轴心设有光纤导孔，且该密封圈装配在通线孔的远离所述空腔方向端。

4.如权利要求1所述的光纤式温度自补偿静力触探传感器，其特征在于，所述摩擦筒与锥头通过螺纹连接方式装配成一体；所述摩擦筒在其轴心方向上的内部分为第一筒体、第二筒体、以及位于第一筒体、第二筒体之间的连接筒体，所述第一筒体半径大于第二筒体，所述第一筒体位于靠锥头方向端；所述导接杆位于摩擦筒内杆体形状与摩擦筒内部结构适配。

5.如权利要求1所述的光纤式温度自补偿静力触探传感器，其特征在于，所述压力感测梁为门字梁，该门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有一光纤光栅。