CN111829440A - 基于杠杆原理的滑移面位移监测装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，包括刚性杠杆，包括刚性杠杆，所述刚性杠杆设置有支点；还包括具有弹性输入组件和弹性输出组件，所述弹性输入组件和弹性输出组件均设置有光学位移测量器件，所述弹性输入组件分别连接于刚性杠杆的输入测量臂和滑移区域，所述弹性输出组件连接于刚性杠杆的输出测量臂；能够对滑移面的位移进行准确测量，而且测量范围大，并且，在测量过程中能够得到滑移面的位移量和位移方向，从而能够准确反应滑移面的位移状况，而且能够测定出滑移面的形状，利于做出准确的应对措施，结构简单，无需复杂的线路布置和组网，使用成本低。

Description

基于杠杆原理的滑移面位移监测装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种位移监测装置及测量方法，尤其涉及一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置及其测量方法。

背景技术

滑坡位移监测系统在实际应用中已十分成熟，但传统的测量方法主要存在监测效率低、测量成本较高、自动化程度低且测量精度较低等缺点。随着三维激光扫描技术、GPS一机多天线系统、INSAR(合成孔径雷达干涉测量)以及多传感器的集成等高新技术在滑坡监测与预测、预报领域的应用，将进一步提高滑坡灾害变形监测预报的精度，但是，该技术结构复杂，应用成本高。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置及其测量方法，能够对滑移面的位移进行准确测量，而且测量范围大，并且，在测量过程中能够得到滑移面的位移量和位移方向，从而能够准确反应滑移面的位移状况，利于做出准确的应对措施，结构简单，无需复杂的线路布置和组网，使用成本低。

本发明提供的一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，包括刚性杠杆，所述刚性杠杆设置有支点；

还包括具有弹性输入组件和弹性输出组件，所述弹性输入组件和弹性输出组件均设置有光学位移测量器件，所述弹性输入组件分别连接于刚性杠杆的输入测量臂和滑移区域，所述弹性输出组件连接于刚性杠杆的输出测量臂。

进一步，所述弹性输入组件包括输入弹簧，所述输入弹簧的一端固定连接于滑移面的待测点，输入弹簧的另一端与刚性杠杆的输入测量臂连接。

进一步，所述弹性输出组件包括输出弹簧，所述输出弹簧的一端固定，输出弹簧的另一端与刚性杠杆的输出测量臂连接。

进一步，所述光学位移测量器件为光纤；

设置于输入弹簧的光纤沿着输入弹簧的绕向绕制于输入弹簧；

设置于输出弹簧的光纤沿着输出弹簧的绕向绕制于输出弹簧。

相应地，本发明还提供了一种基于所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置的测量方法，包括以下步骤：

S1.获取滑移面的待测目标的位移量；

S2.根据待测目标的位移量构建滑移面位移计算模型，并计算滑移面在横向的位移量ΔL_x和纵向的位移量ΔL_y：

其中，L₄表示输入弹簧未受力的初始长度，ΔL₄表示待测目标的总位移，θ为待测目标与刚性杠杆的输入测量臂的力的方向的夹角；α为输入测量臂和输出力臂转过的角度值；L₂表示输入测量臂的长度。

进一步，步骤S2中，待测目标的总位移ΔL₄通过如下方法确定：

其中，D₂为输入弹簧的中径，d₂为输入弹簧线径，ρ₂为输入光纤的曲率半径，n₂为输入弹簧的等节距圈数。

进一步，步骤S2中，通过如下方法确定输入组件的曲率半径ρ₂：

构建输入光纤弯曲损耗方程：

L_s2＝(π²D₂ ²+d₂ ²)^0.5α_c2 (1)；

其中：

α_c2＝A_c2ρ₂ ^-1/2 exp(-U₂ρ₂) (2)；

联立式(1)至式(4)解出曲率半径ρ₂；

其中，α_c2为输入光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₂为输入光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₂为输入光纤的波长，λ_c2为输入光纤的截止波长，L_s2为输入光纤的弯曲损耗。

进一步，步骤S2中，通过如下方法确定待测目标与刚性杠杆的输入力臂的力的方向的夹角θ：

其中，L₁表示输出测量臂的长度，L₂表示输入测量臂长度，ΔL₃为输出弹簧的总位移，L₃为输出弹簧未受力时的初始长度，K1为输出弹簧的弹性系数，K2为输入弹簧的弹性系数。

进一步，步骤S2中，通过如下方法确定输入力臂和输出力臂转过的角度值α通过如下公式确定：

通过如下方法确定输出弹簧的总位移ΔL₃：

其中，n₁为输出弹簧的等节距圈数，d₁为输出弹簧的线径，D₁为输出弹簧的中径，ρ₁为输出光纤的曲率半径。

进一步，通过如下方法确定曲率半径ρ₁：

构建输出光纤的弯曲损耗方程：

L_s1＝(π²D₁ ²+d₁ ²)^0.5α_c1 (5)；

其中：

α_c1＝A_c1ρ₁ ^-1/2exp(-U₁ρ₁) (6)；

联立式(5)至式(8)解出曲率半径ρ₁；

其中，α_c1为输出光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₁为输出光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₁为输出光纤的波长，λ_c1为输出光纤的截止波长，L_s1为输出光纤的弯曲损耗。

本发明的有益效果：通过本发明，能够对滑移面的位移进行准确测量，而且测量范围大，并且，在测量过程中能够得到滑移面的位移量和位移方向，从而能够准确反应滑移面的位移状况，而且能够测定出滑移面的形状，从而利于做出准确的应对措施，结构简单，无需复杂的线路布置和组网，使用成本低。

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为本发明的结构示意图。

图2为本发明的监测装置布置结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明：

本发明提供的一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，包括刚性杠杆3，所述刚性杠杆设置有支点4；

还包括具有弹性输入组件和第二弹性输出组件，所述弹性输入组件和弹性输出组件均设置有光学位移测量器件，所述弹性输入组件分别连接于刚性杠杆的输入测量臂和滑移区域，所述弹性输出组件连接于刚性杠杆的输出测量臂。

具体地：所述弹性输入组件包括输入弹簧6，所述输入弹簧6的一端固定连接于滑移面的待测点，输入弹簧6的另一端与刚性杠杆的输入测量臂连接；

所述弹性输出组件包括输出弹簧1，所述输出弹簧的一端固定，输出弹簧1的另一端与刚性杠杆的输出测量臂连接；

所述光学位移测量器件为光纤；

设置于输入弹簧6的光纤7沿着输入弹簧的绕向绕制于输入弹簧。

设置于输出弹簧1的光纤2沿着输出弹簧的绕向绕制于输出弹簧；

通过本发明，能够对滑移面的位移进行准确测量，而且测量范围大，并且，在测量过程中能够得到滑移面的位移量和位移方向，从而能够准确反应滑移面的位移状况，而且能够测定出滑移面的形状，从而利于做出准确的应对措施，结构简单，无需复杂的线路布置和组网，使用成本低；对于滑移面的测量，通过在滑移面上设置多个待测点，待测点的水平位移和竖向位移就是整个滑移面的位移，通过水平位移和竖向位移得出一个位移矢量，该位移矢量则为滑移方向，而且通过多个待测点的测量，将每个待测点的位移矢量进行拟合，即将各位移矢量连接起来从而形成滑移面的形状，而且，在本发明中，还可以对量程进行调整，即通过调整支点的位置，使得输入测量臂和输出测量臂的长度发生变化，如图1中，因此，在上述结构下，还能够满足不同工况环境的需求，其中，本发明的布置示意图如图2，该图中，箭头表示滑移面的滑移方向，待测目标沿着该图中虚线所处的区域上，在虚线区域任一点均可布置待测目标(或者待测点)。当然，整个测量装置还设置有光信号发生装置和光信号解调装置，光信号发生装置向光纤发送光信号，当待测点发生位移时，引起光纤的弹簧的结构变形，从而使得光纤上的波长发生损耗，通过光信号解调装置将波长损耗值解出，然后通过下述方法得出相应的位移。

相应地，本发明还提供了一种基于所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置的测量方法，包括以下步骤：

S1.获取滑移面的待测目标的位移量；

S2.根据待测目标的位移量构建滑移面位移计算模型，并计算滑移面在横向的位移量ΔL_x和纵向的位移量ΔL_y：

其中，L₄表示输入弹簧未受力的初始长度，ΔL₄表示待测目标的总位移，θ为待测目标与刚性杠杆的输入测量臂的力的方向的夹角；α为输入测量臂和输出力臂转过的角度值；L₂表示输入测量臂的长度。

具体地，步骤S2中，待测目标的总位移ΔL₄通过如下方法确定：

其中，D₂为输入弹簧的中径，d₂为输入弹簧线径，ρ₂为输入光纤的曲率半径，n₂为输入弹簧的等节距圈数。

步骤S2中，通过如下方法确定输入组件的曲率半径ρ₂：

构建输入光纤弯曲损耗方程：

L_s2＝(π²D₂ ²+d₂ ²)^0.5α_c2 (1)；

其中：

α_c2＝A_c2ρ₂ ^-1/2 exp(-U₂ρ₂) (2)；

联立式(1)至式(4)解出曲率半径ρ₂；

其中，α_c2为输入光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₂为输入光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₂为输入光纤的波长，λ_c2为输入光纤的截止波长，L_s2为输入光纤的弯曲损耗。

步骤S2中，通过如下方法确定待测目标与刚性杠杆的输入力臂的力的方向的夹角θ：

其中，L₁表示输出测量臂的长度，L₂表示输入测量臂长度，ΔL₃为输出弹簧的总位移，L₃为输出弹簧未受力时的初始长度，K1为输出弹簧的弹性系数，K2为输入弹簧的弹性系数。

通过如下方法确定输入力臂和输出力臂转过的角度值α通过如下公式确定：

进一步，通过如下方法确定输出弹簧的总位移ΔL₃：

其中，n₁为输出弹簧的等节距圈数，d₁为输出弹簧的线径，D₁为输出弹簧的中径，ρ₁为输出光纤的曲率半径。

通过如下方法确定曲率半径ρ₁：

构建输出光纤的弯曲损耗方程：

L_s1＝(π²D₁ ²+d₁ ²)^0.5α_c1 (5)；

其中：

α_c1＝A_c1ρ₁ ^-1/2exp(-U₁ρ₁) (6)；

联立式(5)至式(8)解出曲率半径ρ₁；

其中，α_c1为输出光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₁为输出光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₁为输出光纤的波长，λ_c1为输出光纤的截止波长，L_s1为输出光纤的弯曲损耗，通过上述方法，能够对滑移面的位移进行准确测量，而且测量范围大，并且，在测量过程中能够得到滑移面的位移量和位移方向，从而能够准确反应滑移面的位移状况，利于做出准确的应对措施。

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，尽管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权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，其特征在于：包括刚性杠杆，所述刚性杠杆设置有支点；

还包括具有弹性输入组件和弹性输出组件，所述弹性输入组件和弹性输出组件均设置有光学位移测量器件，所述弹性输入组件分别连接于刚性杠杆的输入测量臂和滑移区域，所述弹性输出组件连接于刚性杠杆的输出测量臂。

2.根据权利要求1所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，其特征在于：所述弹性输入组件包括输入弹簧，所述输入弹簧的一端固定连接于滑移面的待测点，输入弹簧的另一端与刚性杠杆的输入测量臂连接。

3.根据权利要求2所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，其特征在于：所述弹性输出组件包括输出弹簧，所述输出弹簧的一端固定，输出弹簧的另一端与刚性杠杆的输出测量臂连接。

4.根据权利要求3所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置，其特征在于：所述光学位移测量器件为光纤；

设置于输入弹簧的光纤沿着输入弹簧的绕向绕制于输入弹簧；

设置于输出弹簧的光纤沿着输出弹簧的绕向绕制于输出弹簧。

5.一种基于权利要求1-4任一权利要求所述基于杠杆原理的滑移面位移监测装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.获取滑移面的待测目标的位移量；

S2.根据待测目标的位移量构建滑移面位移计算模型，并计算滑移面在横向的位移量ΔL_x和纵向的位移量ΔL_y：

其中，L₄表示输入弹簧未受力的初始长度，ΔL₄表示待测目标的总位移，θ为待测目标与刚性杠杆的输入测量臂的力的方向的夹角；α为输入测量臂和输出力臂转过的角度值；L₂表示输入测量臂的长度。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：步骤S2中，待测目标的总位移ΔL₄通过如下方法确定：

其中，D₂为输入弹簧的中径，d₂为输入弹簧线径，ρ₂为输入光纤的曲率半径，n₂为输入弹簧的等节距圈数。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：步骤S2中，通过如下方法确定输入组件的曲率半径ρ₂：

构建输入光纤弯曲损耗方程：

L_s2＝(π²D₂ ²+d₂ ²)^0.5α_c2 (1)；

其中：

α_c2＝A_c2ρ₂ ^-1/2exp(-U₂ρ₂) (2)；

联立式(1)至式(4)解出曲率半径ρ₂；

其中，α_c2为输入光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₂为输入光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₂为输入光纤的波长，λ_c2为输入光纤的截止波长，L_s2为输入光纤的弯曲损耗。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：步骤S2中，通过如下方法确定待测目标与刚性杠杆的输入力臂的力的方向的夹角θ：

其中，L₁表示输出测量臂的长度，L₂表示输入测量臂长度，ΔL₃为输出弹簧的总位移，L₃为输出弹簧未受力时的初始长度，K1为输出弹簧的弹性系数，K2为输入弹簧的弹性系数；

通过如下方法确定输入力臂和输出力臂转过的角度值α通过如下公式确定：

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：通过如下方法确定输出弹簧的总位移ΔL₃：

其中，n₁为输出弹簧的等节距圈数，d₁为输出弹簧的线径，D₁为输出弹簧的中径，ρ₁为输出光纤的曲率半径。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于：通过如下方法确定曲率半径ρ₁：

构建输出光纤的弯曲损耗方程：

L_s1＝(π²D₁ ²+d₁ ²)^0.5α_c1 (5)；

其中：

α_c1＝A_c1ρ₁ ^-1/2exp(-U₁ρ₁) (6)；

联立式(5)至式(8)解出曲率半径ρ₁；

其中，α_c1为输出光纤的单位长度弯曲损耗，Δ₁为输出光纤的纤芯-包层的折射率差，λ₁为输出光纤的波长，λ_c1为输出光纤的截止波长，L_s1为输出光纤的弯曲损耗。

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