CN111829596A - 一种土体监测传感机构、系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体监测传感机构、系统以及方法，其包括壳体；所述壳体内设置有空腔层以及第一传感器，所述空腔层内设置有悬挂梁，所述悬挂梁一端与所述壳体相连接，另一端连接有悬挂物；所述悬挂梁内设置有传感组件。本发明通过将所述若干个依次连接的土体监测传感机构水平放置于土层中，当所述土体监测传感机构上方发生超载时，采集所述第一传感器和传感组件感知的光程变化,能够计算得到土体的沉降量、土体倾斜角度以及土体压力，从而实现了通过所述土体监测系统同时对土体的多个参数进行监测。

Description

一种土体监测传感机构、系统以及方法

技术领域

本发明涉及工程结构监测技术领域，特别是一种土体监测传感机构、系统以及方法。

背景技术

我国的工程建设技术的快速发展，全国各地兴建了大量的大型基础设施，近年来很多大型工程施工中发生了严重的事故，亟需针对工程中土体的性能参数进行高精准的监测，如我国软土分布较广，在规划工程项目时会不可避免地穿过软土地带。由于软土的沉降量大、灵敏度高、稳定性差等不良工程特点，因此，监测土体沉降量、土体倾斜角度和土体压力尤为重要。传统的监测系统和方法其监测功能较为单一，因而在监测上述土体参数时操作较为复杂，且检测精度较差。

因此现有技术还有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种土体监测传感机构、系统以及方法，旨在克服现有土体监测系统监测功能较为单一的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种土体监测传感机构，其中，其包括壳体；所述壳体内设置有空腔层以及第一传感器，所述空腔层内设置有悬挂梁，所述悬挂梁一端与所述壳体相连接，另一端连接有悬挂物；所述悬挂梁内设置有传感组件。

所述土体监测传感机构，其中，所述传感组件包括第二传感器和第三传感器，所述第二传感器和第三传感器间隔布置，且第二传感器和第三传感器平行。

所述土体监测传感机构，其中，所述第一传感器、所述第二传感器和第三传感器均为低相干干涉光纤传感器。

所述土体监测传感机构，其中，所述第二传感器远离所述第三传感器的一侧与所述第三传感器远离所述第二传感器的一侧之间的距离等于所述悬挂物的厚度。

所述土体监测传感机构，其中，所述悬挂梁的延伸方向与所述悬挂物的重力方向垂直。

一种土体监测系统，其中，所述土体监测系统包括若干个所述土体监测传感机构。

所述土体监测系统，其中，所述若干土体监测传感机构中相邻两个土体监测传感机构之间设置有两个连接杆，两个连接杆中的第一连接杆一端与相邻两个土体监测传感机构中一个土体监测传感机构相连接，另一端与两个连接杆中的第二连接杆转动连接，第二连接杆未与第一连接杆连接的一端与相邻两个土体监测传感机构中的另一个土体监测传感机构相连接。

所述土体监测系统，其中，所述连接杆未和所述土体监测传感机构相连接的一端设置有连接铰，相邻土体监测传感机构的连接杆通过所述连接铰转动连接。

所述土体监测系统，其中，所述土体监测系统由增材制造技术制作而成。

一种土体监测方法，其中，所述土体监测方法包括：

根据土体监测需求制作所述土体监测系统，并将所述土体监测系统置于土体中；

采集所述第一传感器和传感组件感知的光程变化，根据所述光程变化计算土体倾斜角度、土体沉降量和土体压力。

有益效果：本发明公开了一种土体监测传感机构、系统以及方法其包括壳体；所述壳体内设置有空腔层以及第一传感器，所述空腔层内设置有悬挂梁，所述悬挂梁一端与所述壳体相连接，另一端连接有悬挂物；所述悬挂梁内设置有传感组件。本发明通过将所述若干个依次连接的土体监测传感机构水平放置于土层中，当所述土体监测传感机构上方发生超载时，采集所述第一传感器和传感组件感知的光程变化能够计算得到土体的沉降量、土体倾斜角度以及土体压力，从而实现了通过所述土体监测系统同时对土体的多个参数进行监测。

附图说明

图1是本实施例中提供的一种土体监测机构的结构示意图；

图2是本实施例中提供的土体监测系统的结构示意图；

图3是本实施例中提供的一种土体监测方法的流程图；

图4是本实施例中提供的所述等强度梁的弯矩分析示意图；

图5是本实施例中提供的所述土体监测传感机构的沉降量分析示意图；

图6是本实施例中提供的所述压力感应层的受力分析示意图。

具体实施方式

本发明提供一种土体监测系统和方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1为本实施例提供的所述土体监测传感机构的结构示意图，所述土体监测传感机构包括其包括壳体1以及设置于壳体1上的悬挂梁4和第一传感器3，所述第一传感器嵌于所述壳体1内部且平行于所述壳体1底部，所述壳体1内设置有空腔层2，所述悬挂梁4位于所述空腔层2内，且平行于所述空腔层2的底部，所述悬挂梁4一端与所述壳体1相连接，另一端连接有悬挂物41，所述悬挂梁4内设置有传感组件5。所述土体监测传感机构能够通过第一传感器监测土体压力以及通过传感组件监测土体倾斜角度，并且所述第一传感器和所述传感组件独立工作，互不干扰，从而简化了测量土体倾斜角度和土体压力的测量程序；进一步，所述土体监测传感机构还可以通过连接杆连接，并根据所述连接杆的长度以及所述土体倾斜角度计算土体沉降量。

在本实施例的一个实现方式中，所述壳体的形状可以与所述空腔层的形状相同。例如，如图1所示，所述壳体为长方体结构，所述空腔层也为长方体结构，并且所述空腔层中的每个侧面均与壳体中的与该侧面相对应的侧面平行(如，空腔层的底面与壳体的底面平行等)，这样通过确定悬挂梁与空腔层的位置关系，即可以确定悬挂梁与位置关系(如，悬挂梁4平行于所述空腔层2的底部，则悬挂梁4平行于所述壳体1的底部)。当然，在实际应用中，所述壳体和所述空腔层还可以采用其他形状，例如，壳体和空腔层均为圆柱体等。

在本实施例的一个实现方式中，所述第一传感器3和所述空腔层2间隔布置，所述空腔层2的底部覆盖于所述第一传感器3的上方，所述第一传感器3平行于所述空腔层2的底部，当所述土体监测传感机构受到压力时，所述第一传感器3上方的壳体部分发生形变，以使得所述第一传感器产生应变。

在本实施例的一个实现方式中，所述传感组件5包括第二传感器51和第三传感器52，所述第二传感器51和第三传感器52间隔布置，且第二传感器51和第三传感器52平行布置于所述悬挂梁4内部，并沿所述悬挂梁4延伸的方向延伸，所述悬挂梁4未和所述空腔层2内壁相连接的一端设置有悬挂物41，所述悬挂梁4的延伸方向与所述悬挂物41的重力方向垂直，所述悬挂物41使得悬挂梁4产生形变，当所述土体监测传感机构发生倾斜时，倾斜的角度不同，所述悬挂梁4产生的形变也不同，进而引起所述第二传感器51和第三传感器52产生的应变也不相同。在本实施例的一个具体实现方式中，所述悬挂物41的形状可以为正方体，也可以为球体。

在本实施例的一个实现方式中，所述第二传感器51靠近所述悬挂梁4的第一表面，所述第二传感器51靠近所述悬挂梁4的第二表面，以使得所述第二传感器51远离所述第三传感器52的一侧与所述第三传感器远离所述第二传感器的一侧之间的距离等于所述悬挂物的厚度。

在本实施例的一个具体实现方式中，所述悬挂梁4为等强度梁，所述等强度梁各个位置的应变相同，所述等强度梁受到所述悬挂物41的重力作用从而发生形变，进而引起所述第二传感器51被拉伸而产生应变以及第三传感器52被压缩而产生应变，当所述土体监测传感机构发生倾斜时，所述等强度梁受到所述悬挂物41的重力作用和所述土体监测传感机构10的倾斜角度有关，从而实现通过所述第二传感器51以及第三传感器52产生应变的光程变化以及倾斜角度之间的关系计算所述土体监测传感机构10的倾斜角度。

在本实施例的一个实现方式中，所述第一传感器3、所述第二传感器51和第三传感器52均为低相干干涉光纤传感器，根据低相干干涉光纤传感器的传感原理，对所述第一传感器3、所述第二传感器51和第三传感器52的光程变化进行采集，可以实现通过所述第一传感器3、所述第二传感器51和第三传感器52感知的光程变化监测土体的沉降量、土体倾斜角度以及土体压力。

进一步，基于上述土体监测传感机构，本实施例还提供一种土体监测系统，如图2所示，所述土体监测系统包括若干个土体监测传感机构10，若干个土体监测传感机构10依次连接，若干土体监测传感机构中相邻两个土体监测传感机构之间设置有两个连接杆，两个连接杆中的第一连接杆110一端与相邻两个土体监测传感机构中一个土体监测传感机构相连接，并垂直于相邻两个土体监测传感机构中一个土体监测传感机构的壳体，另一端与两个连接杆中的第二连接111杆转动连接，第二连接杆111未与第一连接杆110连接的一端与相邻两个土体监测传感机构中的另一个土体监测传感机构相连接，并垂直于相邻两个土体监测传感机构中的另一个土体监测传感机构的壳体，所述第一连接杆和第二连接杆相连处设置有连接铰12，所述第一连接杆上设置有第一连接孔，所述第二连接杆上设置有第二连接孔，所述连接铰12与所述第一连接孔以及第二连接孔相配合，以使得相邻的两个土体监测传感机构通过所述连接铰转动12连接。

进一步，所述土体检测系统还包括连接线13和传感器信号采集仪14，所述传感器信号采集仪14通过可连接线13和所述土体检测系统的一端相连接，以实现对所述传感机构10中第一传感器、第二传感器以及第三传感器的光程变化进行监测。

在本实施例的一个实现方式中，所述土体监测系统由增材制造技术制作而成，所述土体监测系统的使用的材料为碳纤维材料，所述第一传感器3、第二传感器51和第三传感器52均由低相干干涉光纤传感器通过增材制造技术封装于所述碳纤维材料中，以使所述碳纤维材料形成悬挂梁4和外壳1，当所述土体监测传感机构发生倾斜时，所述悬挂梁4处的碳纤维材料发生形变以使所述第二传感器51和第三传感器52产生应变，当土体监测传感机构10受到压力时，所述第一传感器3周围的碳纤维材料发生形变以引起所述第一传感器产生应变。

在实际应用中，将所述若干个依次转动连接的土体监测传感机构10水平置于土层中，并通过传感器采信号集仪采集所述第一传感器3和传感组件5中第二传感器51和第三传感器52的光程信号，当所述土体监测传感机构上方发生超载时，通过所述第一传感器3、第二传感器51和第三传感器52感知的光程变化以及相邻两个连接铰12之间的间隔距离，能够计算得到土体的沉降量、土体倾斜角度以及土体压力。

基于上述土体沉降监测系统，本实施例还提供了一种土体监测方法，如图3所示，图3为所述方法的流程图，所述方法包括：

S10、根据土体监测需求制作上述土体监测系统，并将所述土体监测系统置于土体中。

具体地，首先利用CATIA软件对所述土体监测系统进行尺寸设计，设计出相应的悬挂梁4，悬挂物41，壳体1等。在本实施例中，通过利用增材制造过程中高温融化碳纤维材料，将低相干干涉光纤传感器分别固定在悬挂梁梁4内部以及壳体1内部，高温融化的碳纤维材料包覆于第一传感器、第二传感器以及第三传感器的表面，待碳纤维材料硬化后形成封装有传感组件的悬挂梁4和封装有第一传感器的壳体1，并得到土体监测传感机构10。

进一步，将所述土体监测传感机构10通过两个连接杆连接，所述连接杆上设置有连接铰12，以使所述土体监测传感机构可相对转动，在依次连接的若干个土体监测传感机构末端的土体监测传感机构连上连接线13，将所述连接线13接入传感器采信号集仪14，进而得到所述土体监测传感系统。

在实际应用中，如图2所示，将土体监测传感系统埋入到现场土层15内部，使若干个依次连接的土体监测传感机构10位于同一条水平线上，当土体监测传感机构10对应的土体上方发生超载时，土体会发生沉降，土体沉降值的大小通过土体监测传感机构间连接杆和连接铰12传递给土体监测传感机构10。

S20、采集第一传感器和传感组件感知的光程变化，根据所述光程变化计算土体倾斜角度、土体沉降量和土体压力。

具体地，以等强度梁作为所述悬挂梁，计算土体倾斜角度、土体沉降量和土体压力，所述土体监测传感机构10内部等强度梁第一表面的第二传感器51感知的光程变化是Δx₁，等强度梁第二表面的第三传感器52感知的光程变化是Δx₂，所述第二传感器和第三传感器的长度均为L，对于单模低相干干涉光纤传感器，其中，Δx₁与其对应的等强度梁第一表面第二传感器应变ε₁关系和Δx₂与其等强度梁下表面第三传感器应变ε₂的关系分别如下所示：

Δx₁＝1.19Lε₁ (1)

Δx₂＝1.19Lε₂ (2)

由于第一传感器倾斜导致的弯曲应变为：

等强度梁各个位置的应变相同，其可以通过下式计算：

其中，E表示等强度梁的模量，I表示等强度梁的惯性矩，R表示等强度梁的厚度的一半，M表示弯矩，其大小等于垂直于等强度梁的荷载。

假定悬挂物41的重量是W，土体倾斜角度为φ，如图4所示，悬挂物41重力的沿垂直等强度梁方向的分量为W cosφ，由公式4得到等强度梁产生的应变如下式：

考虑上下表面应变相等符号相反，则等强度梁上下表面的应变差为：

合并公式3和6可得到

其中，φ表示倾斜角度，Δx₁和表示第二传感器感知的光程变化，Δx₂表示第三传感器感知的光程变化，L表示等强度梁的长度，W表示悬挂物41的重量。

通过公式7可以得到土体倾斜角度和第二传感器以及第三传感器的感知的光程变化的关系，从而实现根据第二传感器和第三传感器的光程变化得到土体倾斜角度。

当得到任意一点i的倾斜角度φ_i，已知所述土体监测系统相邻两个连接铰之间的间隔距离s，则任意一点i处的沉降量为stanφ_i，如图5所示，那么通过i点以前所有传感机构的沉降量，可以累计计算出任意一点i处的传感机构累计土体沉降量mi：

mi＝stanφ_i+stanφ_i-1+stanφ_i-2……+stanφ₁ (8)

通过公式8可以得到土体监测传感机构的沉降量m和土体倾斜角度φ的关系，从而根据土体监测传感机构的倾斜角度φ得到土体沉降量m。

进一步，在壳体内的第一传感器可以感知拉压变形，如图6所示，当土体检测传感机构受到土体压力P的作用下，导致第一传感器产生拉伸变形，假设第二传感器的直径为A，第一传感器的模量为E_c，第二传感器的长度为L_c，对于单模低相干干涉光纤传感器，可以得到第一传感器受到的土体压力P与第一传感器应变的关系：

由公式9可以得到第二传感器受到的压力值为：

通过公式10可以得到第一传感器受到的压力和第一传感器感知的光程变化的关系，从而实现根据第一传感器感知的光程变化监测土体压力。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种土体监测传感机构，其特征在于，其包括壳体；所述壳体内设置有空腔层以及第一传感器，所述空腔层内设置有悬挂梁，所述悬挂梁一端与所述壳体相连接，另一端连接有悬挂物；所述悬挂梁内设置有传感组件。

2.根据权利要求1所述土体监测传感机构，其特征在于，所述传感组件包括第二传感器和第三传感器，所述第二传感器和第三传感器间隔布置，且第二传感器和第三传感器平行。

3.根据权利要求2所述土体监测传感机构，其特征在于，所述第一传感器、所述第二传感器和第三传感器均为低相干干涉光纤传感器。

4.根据权利要求2所述土体监测传感机构，其特征在于，所述第二传感器远离所述第三传感器的一侧与所述第三传感器远离所述第二传感器的一侧之间的距离等于所述悬挂物的厚度。

5.根据权利要求1所述土体监测传感机构，其特征在于，所述悬挂梁的延伸方向与所述悬挂物的重力方向垂直。

6.一种土体监测系统，其特征在于，所述土体监测系统包括若干个如权利要求1-5所述土体监测传感机构。

7.根据权利要求6所述土体监测系统，其特征在于，所述若干土体监测传感机构中相邻两个土体监测传感机构之间设置有两个连接杆，两个连接杆中的第一连接杆一端与相邻两个土体监测传感机构中一个土体监测传感机构相连接，另一端与两个连接杆中的第二连接杆转动连接，第二连接杆未与第一连接杆连接的一端与相邻两个土体监测传感机构中的另一个土体监测传感机构相连接。

8.根据权利要求7所述土体监测系统，其特征在于，所述连接杆未和所述土体监测传感机构相连接的一端设置有连接铰，相邻土体监测传感机构的连接杆通过所述连接铰转动连接。

9.根据权利要求6-8所述土体监测系统，其特征在于，所述土体监测系统由增材制造技术制作而成。

10.一种土体监测方法，其特征在于，所述土体监测方法包括：

根据土体监测需求制作如权利要求6-9任一所述土体监测系统，并将所述土体监测系统置于土体中；

采集所述第一传感器和传感组件感知的光程变化，根据所述光程变化计算土体倾斜角度、土体沉降量和土体压力。

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