CN110487247A - 一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监测用的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，可用于监测桩身倾斜及桩身位移、运动方向。所述监测方法采用光纤光栅传感技术，该方法基于发明装置，装置主要由ABS刚性管、螺纹固定件、螺纹连接杆、光纤光栅倾角传感器组成，装置可感应桩体倾斜程度，同时传感器内部的光纤光栅FBG1和FBG2会受拉受压，光栅的间距改变，引起中心波长的漂移，通过解调波长值，得到桩身的倾角、桩体位移及运动方向。其优点在于：安装简单，制作成本低，倾斜角测量量程为‑7°～+7°，方位角的测量量程为0°～360°，测量精度均可达0.01°,水平位移测量的最大值为120mm，水平位移分辨率可达0.25mm。

Description

一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法
技术领域
本发明涉及监测用的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法。
背景技术
传统的倾斜监测方法是采用数字水平尺进行测量，不仅操作复杂、效率低、精度差。现有技术中的电子测斜仪装置多针对滑坡区和深洞开挖土体的侧向位移监测，以及提坝结构变形监测、地层位移监测等，并非专门针对桩研制。
发明内容
本发明提供了一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法；
现有的电子测斜仪需把测斜管安装在构件的垂直钻孔内，通过观测测斜管的形变，计算构件的倾斜度。该仪器多用于滑坡、深洞开挖以及坝体变形、地层位移监测等，且安装较困难，精度不高。针对这些问题，本发明提供了一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，光纤传感器具有抗电磁，电绝缘，耐腐蚀，灵敏度高，对被测介质影响小等特点；
本发明的技术方案包括由ABS刚性管、螺纹固定件、螺纹连接杆、光纤光栅倾角传感器；
ABS刚性管作为方法的外管，用于保护光纤光栅倾角传感器和传输光纤。
螺纹固定件指固定圆盘，为了使ABS外管于光纤光栅传感器连接为一个整体，防止发生相对运动。
螺纹连接杆用于连接光纤光栅传感器。
光纤光栅倾角传感器即传感元件，光纤光栅受到外界的物理量变化带来的应变，使其反射光波长同时产生相应变化，建立波长变化与所测外界的物理变化量的对应关系，通过观察解调仪上的波长变化值，可得到需要物理量的测量值。本发明相对于现有的技术具有以下有益效果：
(2)该发明在测量过程中实时且反应灵敏。当桩身在使用过程中发生倾斜，光纤光栅传感器中的摆锤会发生位移，连接杆会发生转动，粘贴在两侧的FBG1、 FBG2具有了不同波长值。
(3)该发明安装方便，制作简单，同时材料成本低，倾斜角测量量程为-7°～+7 °，方位角的测量量程为0°～360°，测量精度均为0.01°,水平位移测量的最大值为120mm，水平位移分辨率为0.25mm。
附图说明
图1是本发明的一种基于光纤光栅全方位监测桩身的高精度测斜杆图。
图2为传感器内部结构图。
图中：1.ABS刚性管，2.螺纹固定件，3螺纹连接件，4.光纤光栅倾角传感器，4- 1.传感器外壁，4-2.螺孔，4-3.光纤光栅FBG1、FBG2，4-4.传感光纤，4-5.悬壁梁，4-6.固定螺栓，4-7.重力摆锤。
具体实施方式
步骤1、根据方案要求，制作传感器，传感器包括传感器外壁、光纤光栅、悬壁梁、重力摆锤、传感光纤，在传感器两端的预留1个螺纹孔以作连接，2个孔作为传感光纤的通道；
步骤2、连接两个光纤光栅倾角传感器，配合传感器两端预留的螺纹孔，设计螺纹连接丝杆，直径为10mm，长度为120mm，螺纹有效距离为30mm；
步骤3、制作方法，方法包括ABS刚性管、螺纹固定件、螺纹连接杆、光纤光栅倾角传感器，ABS管作为方法的外管，螺纹固定件将ABS管与传感器连接成一个整体，螺纹固定件总长为90mm，圆盘直径为55mm，厚度为10mm，圆盘四周对称位置分别预留连接ABS管的螺纹孔和光纤通道，孔径为5mm，孔深为6mm；
步骤4、将制作完成的方法固定在灌注桩的钢筋笼上，使方法与桩身成为一个整体，当桩在使用过程中，若桩身发生倾斜，同时方法也会倾斜，传感器内部的重力摆锤发生位移，导致悬壁梁弯曲，梁两侧的FBG1和FBG2受拉受压，光栅的间距增大或减小，光栅中心波长向长波方向或短波方向移动。
步骤5、根据公式计算方法的倾角和方位角，该传感器测量的倾角θ的计算公式为：
θ＝Ks×[(P1-P2)-(P1o-P2o)]
式中θ--°，传感器所测倾角；
Ks--°/nm，波长系数，为常数通过倾角标定试验确定；
P1--光纤光栅FBG1测量时的波长；
P2--光纤光栅FBG2测量时的波长；
P1o--光纤光栅FBG1测量时的初始波长；
P2o--光纤光栅FBG2测量时的初始波长；
该光纤光栅方法与铅垂方向夹角α的计算公式为：
式中α--即方法的倾角；
θ1、θ2分别为FBG1、FBG2所测得的倾角。
该光纤光栅方法在水平面上方位角β的计算公式为：
式中θ1、θ2分别为FBG1、FBG2所测得的倾角。
步骤6、根据α、β值，利用公式计算可得任意测点与Z轴的水平位移大小和运动方向，测点A在空间坐标系下的空间坐标计算公式为：
式中A—任意测点；L为方法长度；α、β分别为测点A的倾斜角和方位角。测点A在空间坐标系下距Z轴的水平位移计算公式为：
式中A—任意测点；L为方法长度；α、β分别为测点A的倾斜角和方位角。测点A在该空间坐标系下的运动方向：
式中A—任意测点；α、β分别为测点A的倾斜角和方位角。
在以上技术方案的基础上，优先的，所述传感器测量的倾角θ即桩身发生倾斜，导致方法的传感器内部的重力摆锤发生位移，悬壁梁弯曲，同时梁两侧的FBG1和FBG2产生形变，光栅的间距改变，得到测量波长值，根据θ计算公式可得传感器的测量倾角。
更优先的，方法的倾斜角测量量程为-7°～+7°，方位角的测量量程为0°～360 °，测量精度均为0.01°,水平位移测量的最大值为120mm，水平位移分辨率为 0.25mm。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，主要由ABS刚性管(1)、螺纹固定件(2)、螺纹连接杆(3)、光纤光栅倾角传感器(4)组成，其特征在于：该方法可直接感应桩体倾斜程度，传感器在内部摆锤的摆动下，使悬壁梁一侧产生拉应变，另一侧产生压应变，而分别粘贴在悬壁梁两侧的光纤光栅FBG1和FBG2也会分别受拉、受压，光栅的间距在应力作用下增大或减小，引起中心波长的漂移，通过解调波长值，得到桩身的倾角、水平位移及运动方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，其特征在于：ABS刚性管(1)作为方法的外管，用于保护光纤光栅倾角传感器和传输光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，其特征在于：螺纹固定件(2)指固定圆盘，为了使ABS外管于光纤光栅传感器连接为一个整体，防止发生相对运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，其特征在于：螺纹连接杆(3)用于连接光纤光栅传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅高精度监测桩身全方位的方法，其特征在于：光纤光栅倾角传感器(4)即传感元件，光纤光栅受到外界的物理量变化带来的应变，使其反射光波长同时产生相应变化，建立波长变化与所测外界的物理变化量的对应关系，通过观察解调仪上的波长变化值，可得到需要物理量的测量值。
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