CN111721220A - 一种泥石流光纤监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地质监测技术领域，尤其为一种泥石流光纤监测装置，包括光纤光栅锚杆计、光纤光栅拉力传感器和光纤光栅振动传感器，光纤光栅锚杆计包括应变测量体，应变测量体的两端均固定连接有尾纤出线保护器，两个尾纤出线保护器相互远离的一端均固定连接有螺纹杆，螺纹杆的外侧螺纹套接有套筒，应变测量体的顶侧开设有光纤光栅固定槽，尾纤出线保护器的顶侧固定连接有固定壳，固定壳的内侧可拆卸安装有光缆固定器，光纤光栅拉力传感器包括弹性结构转换体。本发明设计合理，通过改进传统光纤光栅锚杆测力方法、改进用于坡面滑动监测的光纤光栅锚杆测力计和光纤光栅位移传感器，研究和设计出一种适合现场环境的泥石流光纤监测设备。
Description
技术领域
本发明涉及地质监测技术领域，尤其涉及一种泥石流光纤监测装置。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，国家基础设施建设迅速，而我国长期以来的工程技术发展中存在着重建设、轻维护等现象，再受限于现有的工程监测技术水平以及后续投入经费等原因，导致诸如河道、桥梁、隧道、边坡以及高层建筑等重大工程的安全监测与维护相对缺失，多数情况下都是在工程出现危险或灾害已经发生后才开始考虑结构健康监测。我国是一个山地、丘陵大国，每年发生的地质自然灾害主要集中于山区地带，而自然灾害中的山体滑坡、崩塌落石和泥石流占据了多数。从国土资源部每年发布的全国地质灾害通报可以看出，滑坡和崩塌这两种灾害的发生次数每年占到了全部灾害数量的80％以上。
水电站等大型工程的勘察建设过程中，尽管设计人员尽可能的避开重大不良地质地段和集中的崩塌危岩落石地段，但由于山区高坡险地地段覆盖范围广泛，高陡边坡和危岩落石防护仍是常见且无法避免的工程形式，不断发生的高陡边坡失稳滑坡、危岩落石、泥石流侵入电站河道、交通路线等事件严重威胁着人们的生命和财产安全和国家正常的交通运输安全。因此，对地质灾害开展有效的监测，对灾害提前做出预警，可以有效避让自然灾害，减小或避免灾害损失。对于泥石流开展长期、有效的安全监测预警技术与应用研究有着重要的理论和实际意义。
目前边坡安全监测大都采用传统的电磁类传感设备和InSAR技术，电类设备不具备抗恶劣环境干扰、抗电磁干扰等能力，且很难实现远程在线监测；InSAR技术是新近发展起来的空间对地观测技术，测量范围广、测量精度高，但受植被覆盖率的影响，其观测值中的固源误差较大，实时性不强，且价格昂贵，因此我们提出了一种泥石流光纤监测装置用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的缺点，而提出的一种泥石流光纤监测装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种泥石流光纤监测装置，包括光纤光栅锚杆计、光纤光栅拉力传感器和光纤光栅振动传感器，所述光纤光栅锚杆计包括应变测量体，应变测量体的两端均固定连接有尾纤出线保护器，两个尾纤出线保护器相互远离的一端均固定连接有螺纹杆，螺纹杆的外侧螺纹套接有套筒，应变测量体的顶侧开设有光纤光栅固定槽，所述尾纤出线保护器的顶侧固定连接有固定壳，固定壳的内侧可拆卸安装有光缆固定器，所述光纤光栅拉力传感器包括弹性结构转换体，所述弹性结构转换体的后侧开设有两个下沉孔，所述弹性结构转换体的前侧开设有两个锚绳联接孔和一个下沉槽，所述下沉槽和位于两个下沉孔均位于两个锚绳联接孔之间，且两个下沉孔均与下沉槽相连通，光纤光栅振动传感器包括等强度悬臂梁，所述等强度悬臂梁的一端固定连接有两个质量块，所述等强度悬臂梁的前侧中央部位固定连接有缓冲层，缓冲层上固定连接有光纤光栅，所述等强度悬臂梁的一端开设有多个固定孔。
优选的，所述固定壳的外侧开设有与光缆固定器相适配的插槽，所述光缆固定器活动插接于相对应的插槽内。
优选的，所述固定壳的顶侧螺纹连接有螺钉，且螺钉的底端与相对应的光缆固定器的顶侧活动抵接。
优选的，两个套筒相互靠近的一端均开设有螺纹孔，所述螺纹杆螺纹套接于相对应的螺纹内。
优选的，两个套筒相互远离的一端均开设有锚杆焊接预留孔，所述套筒的最大外径为45mm。
优选的，所述锚绳联接孔的孔径为35mm，所述下沉孔的孔径为60mm。
优选的，所述下沉孔的厚度为4mm，所述下沉槽的厚度为6mm，所述下沉槽的高度为66mm。
优选的，所述等强度悬臂梁从左至右依次分为窄板段、过渡段和宽板段，且窄板段、过渡段和宽板段的长度依次为22mm、41mm和20mm，所述窄板段的宽度为4mm，所述宽板段的宽度为12mm，所述缓冲层的长度为20mm。
优选的，所述的泥石流光纤监测装置还包括光纤信号调解仪、摄像模块和监测后台，所述光纤光栅拉力传感器和光纤光栅振动传感器通过光缆与光纤信号调解仪连接，所述光纤信号调解仪和摄像模块均与监测后台连接，光纤光栅拉力传感器和光纤光栅振动传感器通过光缆连接至光纤信号调解仪，光纤信号调解仪传送信号至监测后台，监测结果在监测后台显示；摄像模块选用高清摄像头，在监测的重点区域附近，设置高清摄像头，传感器监测实时数据并上传至监测后台，当有形变发生并达到一定阈值，启动预警信号，监测后台同时发出指令至前端摄像头，启动摄像头对重点区域进行监控，由值班员进行人工验证，防止误判。
本发明中所述的一种泥石流光纤监测装置，通过有限元模型对该理论方法进行分析论证，并对传感器模型进行试验验证和误差分析；改进传统光纤光栅锚杆测力方法，研制用于坡面滑动监测的光纤光栅锚杆测力计和光纤光栅位移传感器；根据项目实际需求，研究和设计适合现场环境应用的传感器施工工艺和方法；
基于光纤光栅技术的传感器具有电磁类传感无法比拟的技术优势：其光信号可远距离传输、具有抗雷击、抗电磁干扰、可串接复用等，这些优势特别适用于野外恶劣环境下的工程健康监测；
本发明设计合理，通过改进传统光纤光栅锚杆测力方法、改进用于坡面滑动监测的光纤光栅锚杆测力计和光纤光栅位移传感器，研究和设计出一种适合现场环境的泥石流光纤监测设备。
附图说明
图1为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光纤光栅锚杆计的结构示意图；
图2为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光纤光栅拉力传感器的结构示意图；
图3为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光纤光栅振动传感器的结构示意图；
图4为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光纤光栅锚杆计的套筒展开的状态示意图；
图5为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光缆固定器、固定壳的结构示意图；
图6为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光缆固定器、固定壳的剖视图；
图7为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的光纤光栅拉力传感器的A-A截面的结构示意图；
图8为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的等强度悬臂梁、缓冲层的俯视图；
图9为本发明提出的光纤光栅锚杆计重复性和线性度测试结果；
图10为本发明提出的光纤光栅拉力传感器重复性和线性度的测试结果；
图11为本发明提出的光纤光栅振动传感器性能测试结果；
图12为本发明提出的一种泥石流光纤监测装置的连接示意框图。
图中：1、光纤光栅锚杆计；2、光纤光栅拉力传感器；3、光纤光栅振动传感器；4、应变测量体；5、尾纤出线保护器；6、光缆固定器；7、螺纹杆；8、套筒；9、锚杆焊接预留孔；10、光纤光栅固定槽；11、固定壳；12、插槽；13、螺钉；14、弹性结构转换体；15、锚绳联接孔；16、下沉槽；17、下沉孔；18、等强度悬臂梁；19、质量块；20、缓冲层；21、光纤光栅；22、固定孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-12，一种泥石流光纤监测装置，包括光纤光栅锚杆计1、光纤光栅拉力传感器2和光纤光栅振动传感器3，光纤光栅锚杆计1包括应变测量体4，应变测量体4的两端均固定连接有尾纤出线保护器5，两个尾纤出线保护器5相互远离的一端均固定连接有螺纹杆7，螺纹杆7的外侧螺纹套接有套筒8，应变测量体4的顶侧开设有光纤光栅固定槽10，尾纤出线保护器5的顶侧固定连接有固定壳11，固定壳11的内侧可拆卸安装有光缆固定器6，光纤光栅拉力传感器2包括弹性结构转换体14，弹性结构转换体14的后侧开设有两个下沉孔17，弹性结构转换体14的前侧开设有两个锚绳联接孔15和一个下沉槽16，下沉槽16和位于两个下沉孔17均位于两个锚绳联接孔15之间，且两个下沉孔17均与下沉槽16相连通，光纤光栅振动传感器3包括等强度悬臂梁18，等强度悬臂梁18的一端固定连接有两个质量块19，等强度悬臂梁18的前侧中央部位固定连接有缓冲层20，缓冲层20上固定连接有光纤光栅21，等强度悬臂梁18的一端开设有多个固定孔22。
本实施例中，固定壳11的外侧开设有与光缆固定器6相适配的插槽12，光缆固定器6活动插接于相对应的插槽12内。
本实施例中，固定壳11的顶侧螺纹连接有螺钉13，且螺钉13的底端与相对应的光缆固定器6的顶侧活动抵接。
本实施例中，两个套筒8相互靠近的一端均开设有螺纹孔，螺纹杆7螺纹套接于相对应的螺纹内。
本实施例中，两个套筒8相互远离的一端均开设有锚杆焊接预留孔9，套筒8的最大外径为45mm。
本实施例中，锚绳联接孔15的孔径为35mm，下沉孔17的孔径为60mm。
本实施例中，下沉孔17的厚度为4mm，下沉槽16的厚度为6mm，下沉槽16的高度为66mm。
本实施例中，等强度悬臂梁18从左至右依次分为窄板段、过渡段和宽板段，且窄板段、过渡段和宽板段的长度依次为22mm、41mm和20mm，窄板段的宽度为4mm，宽板段的宽度为12mm，缓冲层20的长度为20mm。
本实施例中，光纤光栅锚杆计1主要由中间的应变测量体4、两端的套筒8组成，应变测量体4表面刻有布设光纤光栅的光纤光栅固定槽10，光纤光栅固定槽10两端设计有尾纤出线保护器5，尾纤信号采用恺装光缆外壳，两端的套8筒与应变测量体4之间采用的是可拆卸的螺纹连接，套筒8外端与锚杆之间需要焊接固定，应变测量体4与两个套筒8装配后长度为290mm，套筒8处外径最大为45mm，该光纤光栅锚杆应变测量计1与工程锚杆独立，可以在实验室操作布设光纤光栅、测试等；
实际安装时，根据一根锚杆上需要安装的测力计点数，需要将锚杆裁断，将每小段的锚杆先与套筒8焊接上，这是由于焊接产生的高温可能会导致应变测量体上的光纤光栅损坏，因此锚杆与套筒8焊接冷却后，再通过螺纹连接与应变测量体4安装，工程实际中还需要布设温度补偿传感器；如此以来，该新型锚杆测力计的机械加工、清洗、光纤光栅布置等工作可以才实验室完成，且可以在拉伸试验机上开展标定测试工作，以及和温度补偿传感器一起开展温度测试工作，使以后现场监测得到的数据更加准确；
对制造完毕后的光纤光栅锚杆测力计1开展拉力测试标定：拉伸测试采用的是万能拉伸试验机，根据锚杆应变体两端的螺纹设计加工了匹配的夹具，拉伸实验分为预拉伸和正式拉伸阶段，预拉伸中，对测力计均匀加载至26KN，保持载荷5s后再均匀卸载至0KN；随后以5KN为步长，逐点施加载荷，最大25KN，再逐点卸载至0KN，在每个载荷处均记录下光纤光栅的波长值，按上述方法重复实验三次；其测试结果如图9所示；
根据拉力监测的实际要求(便于与锚绳串接、量程易于调制、温度自补偿)，初步提出了下述弹性结构转换体，光纤光栅拉力传感器2的两端直径35mm的两个锚绳联接孔15是和锚绳串接的联接孔，中间的两个直径60的下沉孔17是该结构的主要弹性变形部分，两个下沉槽16处较薄，厚度为6mm，二下沉孔17中间部分最窄处为4mm，当弹性结构转换体14两端的安装联接孔处受到锚绳拉力时，两个下沉孔的弧顶处是整个弹性体横截面积最小处，该处的会产生最大的正应变，而两个下沉孔17相夹的狭窄部分会受到压应力作用，产生负应变，我们拟在四个弧顶处的任意一个布置一个光纤光栅，在孔中间的狭窄部分再布设一个光纤光栅，第一个光纤光栅的波长改变量与第二个光纤光栅的波长改变量的差值作为整个弹性结构的输出信号，采用在外界拉力作用下，由于两个光纤光栅的处的应变一正一负，且两个光纤光栅由于外界环境温度变化带来的波长漂移同向且大小等同，二者的差值作为输出信号，即提高了灵敏度又解决了温度补偿问题；
通过万能试验机对传感器进行拉力载荷试验，对该传感器进行三次循环拉伸试验:首先是预拉伸一次，设定载荷在30s内均匀变化达到50KN，再卸载至0KN；正式拉伸试验中，将拉力载荷设定在10-50KN之间，步长为5KN，载荷均匀加载，每隔5KN保载停留5s，记录该载荷下的光纤光栅波长，直至50KN，试验重复三次；其测试结果如图10所示；
基于悬臂梁原理的光纤光栅振动传感器3结构简单，性能稳定，而等强度悬臂梁18弯曲引起的表面应变分布均匀，可以避免布置在梁表面上的光栅因应变分布不均匀导致惆啾现象，拟选择等强度悬臂梁18作为防护网冲击传感器的基础结构原理，该悬臂梁-质量块惯性系统将外界的冲击加速度转化为光纤光栅21的波长变化原理如下：外界冲击加速度a带给质量块的惯性力F＝ma,m为质量块的质量；此处忽略了悬臂梁自身的惯性质量效应；
随后开展了加速度线性测量灵敏度测试，按照常用的激励方法，选择激振频率保持在200Hz，激励加速度从1g变化到8g，并且重复三次试验，图11给出的是三次试验结果以及三次试验算术平均值的线性拟合函数，试验得出传感器的测量灵敏度为1.7pm/g，线性拟合度0.9996，三次试验的重复性误差为4.32％。
本实施例中，泥石流光纤监测装置还包括光纤信号调解仪、摄像模块和监测后台，光纤光栅拉力传感器2和光纤光栅振动传感器3通过光缆与光纤信号调解仪连接，光纤信号调解仪和摄像模块均与监测后台连接，光纤光栅拉力传感器2和光纤光栅振动传感器3通过光缆连接至光纤信号调解仪，光纤信号调解仪传送信号至监测后台，监测结果在监测后台显示；摄像模块选用高清摄像头，在监测的重点区域附近，设置高清摄像头，传感器监测实时数据并上传至监测后台，当有形变发生并达到一定阈值，启动预警信号，监测后台同时发出指令至前端摄像头，启动摄像头对重点区域进行监控，由值班员进行人工验证，防止误判。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
Claims (9)
1.一种泥石流光纤监测装置，包括光纤光栅锚杆计(1)、光纤光栅拉力传感器(2)和光纤光栅振动传感器(3)，其特征在于，所述光纤光栅锚杆计(1)包括应变测量体(4)，应变测量体(4)的两端均固定连接有尾纤出线保护器(5)，两个尾纤出线保护器(5)相互远离的一端均固定连接有螺纹杆(7)，螺纹杆(7)的外侧螺纹套接有套筒(8)，应变测量体(4)的顶侧开设有光纤光栅固定槽(10)，所述尾纤出线保护器(5)的顶侧固定连接有固定壳(11)，固定壳(11)的内侧可拆卸安装有光缆固定器(6)，所述光纤光栅拉力传感器(2)包括弹性结构转换体(14)，所述弹性结构转换体(14)的后侧开设有两个下沉孔(17)，所述弹性结构转换体(14)的前侧开设有两个锚绳联接孔(15)和一个下沉槽(16)，所述下沉槽(16)和位于两个下沉孔(17)均位于两个锚绳联接孔(15)之间，且两个下沉孔(17)均与下沉槽(16)相连通，光纤光栅振动传感器(3)包括等强度悬臂梁(18)，所述等强度悬臂梁(18)的一端固定连接有两个质量块(19)，所述等强度悬臂梁(18)的前侧中央部位固定连接有缓冲层(20)，缓冲层(20)上固定连接有光纤光栅(21)，所述等强度悬臂梁(18)的一端开设有多个固定孔(22)。
2.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述固定壳(11)的外侧开设有与光缆固定器(6)相适配的插槽(12)，所述光缆固定器(6)活动插接于相对应的插槽(12)内。
3.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述固定壳(11)的顶侧螺纹连接有螺钉(13)，且螺钉(13)的底端与相对应的光缆固定器(6)的顶侧活动抵接。
4.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，两个套筒(8)相互靠近的一端均开设有螺纹孔，所述螺纹杆(7)螺纹套接于相对应的螺纹内。
5.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，两个套筒(8)相互远离的一端均开设有锚杆焊接预留孔(9)，所述套筒(8)的最大外径为45mm。
6.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述锚绳联接孔(15)的孔径为35mm，所述下沉孔(17)的孔径为60mm。
7.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述下沉孔(17)的厚度为4mm，所述下沉槽(16)的厚度为6mm，所述下沉槽(16)的高度为66mm。
8.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述等强度悬臂梁(18)从左至右依次分为窄板段、过渡段和宽板段，且窄板段、过渡段和宽板段的长度依次为22mm、41mm和20mm，所述窄板段的宽度为4mm，所述宽板段的宽度为12mm，所述缓冲层(20)的长度为20mm。
9.根据权利要求1所述的一种泥石流光纤监测装置，其特征在于，所述的泥石流光纤监测装置还包括光纤信号调解仪、摄像模块和监测后台，所述光纤光栅拉力传感器(2)和光纤光栅振动传感器(3)通过光缆与光纤信号调解仪连接，所述光纤信号调解仪和摄像模块均与监测后台连接。
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| CN202010378542.8A Pending CN111721220A (zh) | 2020-05-07 | 2020-05-07 | 一种泥石流光纤监测装置 |
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