CN111561910B

CN111561910B - 可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪、系统及测量方法

Info

Publication number: CN111561910B
Application number: CN202010461704.4A
Authority: CN
Inventors: 崔洪亮; 罗政纯; 于淼; 杨先勇
Original assignee: Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Zhuhai Renchi Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111561910A

Abstract

本发明公开了一种可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪、系统及方法，包括水位压力测量部分和水箱；水位压力测量部分位于水箱底部，包括光纤、准直器、分光晶体、测量反射镜、参考反射镜、参考臂调节栓、测量臂调节栓和基体件；光纤连接准直器，准直器固定在基体件上；分光晶体设置在准直器的后侧，在分光晶体的上方设置测量反射镜，在分光晶体的后方设置参考反射镜，参考反射镜水平连接参考臂调节栓；分光晶体和测量反射镜位于基体件内，参考臂调节栓穿过基体件侧壁；测量臂调节栓设置在基体件底部；水箱为密封的，并有排气口、进水管和出水管；在水箱底部设有应力膜片。

Description

可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪、系统及测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种测量沉降的高精度光纤干涉沉降仪、包括该光纤干涉型沉降仪的测量系统及测量方法。

背景技术

在现今市场，随着各种大型工程的发展，越来越多的大坝坝基、土建等不得不开挖到基岩层电而直接建于覆盖层上，坝基或土建基层沉降变形的大小对大坝的应力与变形等有很大的影响。同时，很多野外公路、铁路交通的路边都存在山地滑坡的风险。

监测大坝、大型基建设施、山体的沉降常用的有液压式沉降仪及电磁式沉降仪。一般的液压式沉降仪要求测点远离监测站时，电式的液压式沉降仪无法适应，光纤光栅液压式沉降仪体积较大。市场上很多采用电磁式沉降仪，这种沉降仪的安装需要供电，无法在无人区进行安装和工作。

整个沉降测量系统中，测量点与监控房的距离比较远，同时测量沉降的精度还要求比较高，因此对于这种情况的沉降测量急需解决办法。

发明内容

为了解决背景技术部分提出的技术问题，本发明的目的是提供一种高精度光纤干涉沉降仪、包括该光纤干涉型沉降仪的测量系统及测量方法，能够解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供高精度光纤干涉型液压沉降仪，包括水位压力测量部分和水箱；

所述的水位压力测量部分位于水箱底部，包括光纤、准直器、分光晶体、测量反射镜、参考反射镜、参考臂调节栓、测量臂调节栓和基体件；所述的光纤连接准直器，准直器固定在基体件上；分光晶体设置在准直器的后侧，在分光晶体的上方设置测量反射镜，在分光晶体的后方设置参考反射镜，参考反射镜水平连接参考臂调节栓；分光晶体和测量反射镜位于基体件内，参考臂调节栓穿过基体件侧壁；测量臂调节栓设置在基体件底部；所述水箱为密封结构，并有排气口、进水管和出水管；在水箱底部设有应力膜片和测量反射镜。

通过设计可调节测量臂光程或参考臂光程来进行抵消压差产生的测量臂光程的初始长度，使得可调节压差范围的高精度光纤干涉型沉降仪在初始安装时处于水位计的测量臂光程与参考臂光程处于匹配测量量程范围内,从而进行沉降造成的液压测量。

上述的所述光纤、光纤准直器、膜片反射镜、应力膜片、参考反射镜、基体件、外壳构成水位压力测量部分，水箱则是水位压力测量需要的水。调节压差螺栓主要是调节测量光程的长度。在安装过程中，注入的水需要经过进水口后，注入密封水箱，将排气口打开。排气口处有水溢出后，说明水箱内再无气泡存在，则将排气口关闭。当出现压差比较大时，通过调节压差螺栓对光程进行调节。调节主要是缩短测量臂光程长度，使测量臂光程长度与参考臂光程长度相当，即在波长范围由1525nm-1565nm的宽带光源的干涉光谱中主要体现是一个干涉波谷。沉降测量范围由参考臂光程决定的。

本发明的第二方面，提供一种可调节压差法的高精度光纤干涉液压沉降仪测量系统，包括所述的补偿压差法的高精度光纤干涉液压沉降仪，所述光纤的一端连接有激光发生装置，并连接有激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出高精度光纤干涉液压沉降仪位置的水位压力的信息。

本发明的第三方面，提供了一种可调节压差法的高精度光纤干涉液压沉降仪的测量方法，包括以下步骤：

安装液压沉降仪时，先将水箱固定，水箱固定后，通过进水阀对水箱进行注水；通过水箱的顶部排气口将水箱内的气排出；使水箱内的水压增加到设定的位置，然后固定水压；

再通过调节测量臂调节栓来改变测量臂光程与参考臂光程相匹配，通过宽带光源进行干涉测量，使返回光的干涉波谷只有1个；使得测量臂处于测量水压最佳值；

当液压沉降仪处发生沉降时，水箱内的液压也发生改变，从而改变了应力膜片的形变量，也对应力膜处的测量反射镜与分光晶体距离产生作用，最后由参考反射镜反射回的光与测量反射镜的返回光就发生干涉，干涉波谷的偏移量与沉降的高度是线性的关系；进而得到沉降量。以上一个或多个技术方案的有益效果为：

(1)利用调节测量臂的光程差来进行压差补偿，对参考臂光程进行匹配，可以使沉降仪能够适应高压差水位里保持高精度的沉降测量。

(2)采用光纤的光传输后，可以进行远距离的地点对沉降进行实时监测，极大地减少人工巡视成本。同时在远程测量沉降时，无需另外给沉降仪提供电源。

(3)利用光纤干涉传感器的波长区分特性可以实现波分复用功能，多个温湿度传感探头所用光纤光栅的中心波长不同，可串联在同一根光纤上实现波分复用。

(4)高精度光纤干涉液压沉降仪所感测到的水位压力变化信息以其中心波长的变化来体现，该波长变化可转化为远端光源输入到探头的激光的波长变化，通过传输光纤可将携带温度信息和水位压力信息的激光远距离回传至远端信号处理设备进行沉降数据解算。

(5)所述参考反射镜与膜片反射镜为测量沉降仪的温度补偿，补偿环境温度产生的影响。

(6)采用调节测量臂的光程差来进行压差补偿，主要是在干涉仪测量过程中，调节测量臂光程长度，使测量臂光程长度与参考臂长度使得干涉仪波长测量值返回到其测量设定范围内。

附图说明

成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1中整体结构示意图；

图中：1、光纤；2、准直器；3、分光晶体；4、测量反射镜；5、参考反射镜；6、进水阀；7、进水口；8、水箱；9、排气口；10、出水口；11、出水口；12、基体件；13、参考臂调节栓；14、应力膜片；15、测量臂调节栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1中部分结构所示，本实施例提供可调节压差范围的高精度光纤干涉型沉降仪的装置，包括光纤1、准直器2、分光晶体3、测量反射镜4、参考反射镜5、进水阀6、进水口7、水箱8、排气口9、出水阀10、出水口11、基体件12、参考臂调节栓13、应力膜片14、测量臂调节栓15；

基体件12基体件用于实现光纤1；准直器2；分光晶体3；测量反射镜4；参考臂调节栓13；测量臂调节栓15的支撑。

光纤1连接准直器2，准直器2固定在基体件12的侧壁上；分光晶体3设置在准直器2的后侧，在分光晶体3的上方设置测量反射镜4，在分光晶体3的后方设置参考反射镜，参考反射镜水平连接参考臂调节栓13；其中分光晶体3和测量反射镜4位于基体件16内，参考臂调节栓13穿过基体件侧壁；测量反射镜4设置于基体件外，固定与水箱底部；测量臂调节栓设置在基体件底部；前面的整个装置安装在基体件12内，且测量臂调节栓15延伸到基体件12外。

所述水箱为密封件，并有排气口9、进水口7和出水口10；在水箱底部设有应力膜片14，直接受到水箱8内的水压作用；在本申请公开的实施例中排气口9设置在水箱顶部，其也可以设置在水箱的侧面；在本申请公开的实施例中，进水口7设置在水箱的左侧，出水口10设置在水箱的右侧；在其他实施例中，其位置也可以调换一下。

进一步的，在本实施例中，为了控制进水量和出水量，在进水口7设置进水阀6，在出水口10设置有出水阀11。

进一步的，参考臂光程(即双倍的参考反射镜平面与分光晶体的距离)决定沉降仪的测量范围及测量精度；所述参考反射镜与膜片反射镜为测量沉降仪的温度补偿，补偿环境温度产生的影响。

进一步的，采用调节测量臂的光程差来进行压差补偿，主要是在干涉仪测量过程中，调节测量臂光程长度，使测量臂光程长度与参考臂长度使得干涉仪波长测量值返回到其测量设定范围内。测量臂的光程为双倍的测量反射镜平面与分光晶体的距离。

具体使用时，所述水箱8固定在测量点后，进水阀6安装进水口7处，11出水阀11安装于出水口12处，通过水管连接下一个液压沉降仪。

安装液压沉降仪时，所述水箱8固定后，通过进水阀6对水箱8进行注水。通过水箱8的顶部排气口9将水箱8内的气排出。使水箱8内的水压增加到其位置固定水压。再通过调节测量臂调节栓15来改变测量臂光程与参考臂光程相匹配，通过40nm宽带光源进行干涉测量，使返回光的干涉波谷只有1个。使得测量臂处于测量水压最佳值。

当液压沉降仪处发生沉降时，所述的水箱8内的液压也发生改变，从而改变了应力膜片14的形变量，也对应力膜片14处的测量反射镜4与分光晶体3的距离产生作用，最后由参考反射镜5反射回的光与测量反射镜4的返回光就发生干涉，干涉波谷的偏移量与沉降的高度是线性的关系。

具体的，水箱8安装处是处于测量系统水平面的比较远的距离，而且整个测量系统的水平面与测量处的水位差远远超过水位计测量量程。通过调节测量臂调节栓15可调节应力膜片14处的4测量反射镜与分光晶体距离，从而达到水位压关引起的问题。

设定测量处的水位与整个沉降系统的标定水位落差为H1，处于水箱8底部的水位测量部分的测量量程为H2。

所述的应力膜片14，半径为R1，厚度为t,弹性模量为E1,泊松比为u1,膜片中心的硬芯半径为r1；水的密度为ρ，重力加速度为g。

当水位达到标定水位落差时，即水位的满量程H1时，应力膜片14的硬心位移量为

可以设定测量处与标定水位的水位落差

H1＝(N-δ)·H2

N为整数倍且大于1，δ为小数。最后的小数δ可以通过对调节15测量臂调节栓可调节14应力膜处的4测量反射镜与分光晶体距离。

由于光纤1；准直器2；分光晶体3；测量反射镜4；参考反射镜5；构成迈克尔逊干涉光学结构，输入光为宽带光时，沉降测量的精度由两干涉臂长差来决定的。

设定参考臂光程为l1，测量臂光程为l2，输入光的光谱频率宽为Δv，光谱分辩率为δv，干涉的光程差为Δl，由于测量臂在测量过程中，测量臂l2大于参考臂l1，所以干涉光程差Δl在测量过程中，是由测量反射镜与分光晶体距离变小而产生的。

则沉降仪的测量量程是由干涉光程差Δl决定的。

由于参考臂与测量臂两路光程差Δl，而在光谱波长宽范围内能够形成中2个周期的波峰时候,折射率为n，光速为c,光谱的波长由λ_min到λ_max则

Δλ_max＝λ_max-λ_min

当处于λ_min与λ_max的光谱波长时，两个光谱波长的相位值差值应该为2π.

则光程差值为

由于测量沉降范围时，光程差的范围由2个周期波峰变为1个周期波峰，

则由

变为

光谱波长分辩率为δλ，沉降测量分辩率为δH。设定光谱中波峰和波谷的周期波长宽度为Δλ1，两波峰值分别为λ1和λ2。

当光程差Δl变化为Δl+δl时，

则最小变化量δl关系如下：

从光谱中，总共的可识别点数为m；可以测量的光程变化量为L＝mδl

而光程变化量L由水压测量量程造成的，

而与标定水位的压差引起的应力膜片上测量反射镜的移动量为

ω_max＝(N-δ)L

所以与标定水位的压差是要求有一定的范围的。则

H_max＝(N+1)H1

当沉降仪测量处产生沉降，沉降高度为ΔH。

则沉降仪所处的测量处水位值与沉降系统的标定水位差值为H1+ΔH。

当水位测量部分增加水位差为ΔH时，14应力膜片的硬心位移量为

则初始光谱波长宽度为Δλ0，光谱波长宽度变量Δλ沉降处沉降值的数学关系如下：

以下以具体的数据来提供本申请的一个实施例：应力膜片14为金属铍铜，金属铍铜膜厚度为0.1mm，半径度为30mm，中心的硬心半径为1.5mm,金属铍铜弹性模量为1.31×10¹¹N/m²,泊松比为0.2；光源采用宽带光源，光谱波长由1525nm到1565nm，光谱波长分辩率为1pm。整个沉降系统的标定水位的测量处的水位差值为60m,水位计的测试量程为2m。当参考臂光程是固定的，约25mm。当调节测量臂光程时，则通过计算，初始光程差为：

在沉降测量范围内，干涉光谱的波长周期是由2个周期变为1个周期，也就是光谱周期长度由20nm改变为40nm，则光程差由120um变为60um，光谱分辨率为1pm。则光谱周期变化点数则为

光程差变化范围为60um,对应的水位计测试量程为2m。

由于水位压差值H2为124.83米，则

H_max＝(N+1)H1≥124.83m

H_max＝126m

N＝62

那么应力膜片中央的形变量应该为

ω_max＝(N+1)Δω＝1.8mm

当沉降仪安装完成并注入水后，调节测量臂光程长度，使得测量光谱的干涉波长出现1个周期波峰或波谷。然后再反方向旋转增加测量臂光程长度，使得干涉波长谱出现两个周期波峰或波谷。

ω_max＝(N+1)Δω＝1.8mm

而通过设计的数据进行计算，当水位压差为H2高水位时，可得结果如下：

波长宽度改变量与沉降的关系如下：

实施例2

本实施例基于实施例1中的可调节压差范围的高精度光纤干涉型沉降仪，提出可一种可调节压差范围的高精度光纤干涉型沉降仪测量系统，实施例1中的光纤1的一端连接有激光发生装置和激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长干涉波峰或波谷的周期长度的变化，得出高精度光纤干涉型沉降仪处的沉降测量信息。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪，其特征在于，包括水位压力测量部分和水箱；所述水位压力测量部分位于水箱底部，包括光纤、准直器、分光晶体、测量反射镜、参考反射镜、参考臂调节栓、测量臂调节栓和基体件；所述光纤连接准直器，准直器固定在基体件上；分光晶体设置在准直器的后侧，在分光晶体的上方设置测量反射镜，在分光晶体的后方设置参考反射镜，参考反射镜水平连接参考臂调节栓；分光晶体和测量反射镜位于基体件内，参考臂调节栓水平设置在基体件上；测量臂调节栓竖直设置在基体件上；所述水箱为密封结构，并有排气口、进水管和出水管；在水箱底部设有应力膜片；

当光纤干涉型沉降仪发生沉降时，水箱内的液压发生改变，改变了应力膜片的形变量，对应力膜处的测量反射镜与分光晶体距离产生作用，由参考反射镜反射回的光与测量反射镜的返回光发生干涉，根据干涉波谷的偏移量与沉降的高度的线性关系得到沉降量。

2.如权利要求1所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪，其特征在于，还包括水位计，所述水位计直接测量密闭水箱内的水压值变化值。

3.根据权利要求1所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪，其特征在于，在所述进水管上设有进水阀。

4.根据权利要求1所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪，其特征在于，在所述出水管上设有出水阀。

5.一种可调节压差范围的光纤干涉液压沉降仪测量系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪。

6.如权利要求5所述可调节压差范围的光纤干涉液压沉降仪测量系统，其特征在于，所述光纤的一端连接有激光发生装置，并连接有激光信号处理设备，所述激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪位置的水位压力的信息。

7.如权利要求6所述可调节压差范围的光纤干涉液压沉降仪测量系统，其特征在于，整个测量系统的水平面与测量处的水位差超过水位计测量量程。

8.如权利要求1-4任一所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪的测量方法，其特征在于：

安装光纤干涉型沉降仪时，先将水箱固定，水箱固定后，通过进水阀对水箱进行注水；通过水箱的顶部排气口将水箱内的气排出；使水箱内的水压增加到设定的位置，然后固定水压；

当光纤干涉型沉降仪处发生沉降时，水箱内的液压也发生改变，从而改变了应力膜片的形变量，也对应力膜处的测量反射镜与分光晶体距离产生作用，最后由参考反射镜反射回的光与测量反射镜的返回光就发生干涉，干涉波谷的偏移量与沉降的高度是线性的关系；进而得到沉降量。

9.如权利要求8所述可调节压差范围的光纤干涉型沉降仪的测量方法，其特征在于：通过调节测量臂调节栓可调节应力膜处的测量反射镜与分光晶体距离。