CN112556598A - 一种测量空间位移的线材型传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感装置领域，涉及一种测量空间位移的线材型传感装置，包括呈线材状可弹性变形的传感棒，沿所述传感棒的长度方向设有至少4条第一传感光纤，所有的第一传感光纤沿所述传感棒的周向均布；所述传感棒上螺旋布置有至少2条第二传感光纤，螺距相等，旋向相反，对称布置。本发明不仅可以实现大型构筑物内部变形量大小的监测，而且可以实现对被测对象内部各变形部位的空间三维坐标变化及扭转角度的解算；不仅可以采取埋入被测对象的方式进行监测,而且可以采用表贴在被测对象的方式进行监测；不仅可用于形状规则的大型构筑物的监测，而且特别适用对形状各异的大型构筑物进行监测。

Description

一种测量空间位移的线材型传感装置
技术领域
本发明属于传感装置领域，涉及一种测量空间位移的线材型传感装置。
背景技术
大型构筑物内部变位可导致灾难性后果，如边坡崩塌、坝体崩溃、桥梁垮塌、路基位移等。因此大型构筑物内部变位的监近年来测得到了广泛重视，但传统监测技术多为点监测，难以获取详细的变形位置状态，如具体三维空间坐标及扭转角度无法获知；最近虽然有一些利用分布式光纤传感器进行检测的技术出现，但必须满足某些限制条件或者检测精度难以实用，例如没有考虑所布置的光纤传感器扭转角度而精度较差，有的甚至要求光纤传感装置不能出现扭转，否则无法测出结果。因此发明一种能够克服上述限制而且精度较高的传感装置具有重要的现实意义。
目标体内部和外部的变形和变位是监测获取的关键参数之一；如危岩、边坡、坝体、桥梁、隧道、路基等。目前广泛应用的各类传感器，大多是单个的，单点式布置于设计者认为的关键节点(面)上；难以获取物体详细的变形和位置状态。特别是物体的三维空间坐标及扭转角度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测量空间位移的线材型传感装置，以克服目前分布式光纤传感器不能量测或没有计入光纤传感器扭转角度而精度较差的致命缺陷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种测量空间位移的线材型传感装置，包括呈线材状的传感棒，沿所述传感棒的长度方向设有至少4条第一传感光纤，所有的第一传感光纤沿所述传感棒的周向均布；所述传感棒上螺旋布置有至少2条第二传感光纤，螺距相等，旋向相反，对称布置。
可选的，所述第一传感光纤设有4条，沿所述传感棒的周向正交对称布置。
可选的，所述传感棒内部中空。
可选的，所述传感棒的中空部位设有加强芯。
可选的，所述传感棒的外侧设有保护套。
可选的，所述第一传感光纤与所述第二传感光纤布置在传感棒的不同半径处。
可选的，所述传感棒的截面呈圆形或矩形。
可选的，所述传感棒沿其长度方向分为若干节段，每个节段的端部均设有标定点，所述标定点用于记录该节段的初始校准数据。
可选的，所述标定点的截面呈矩形。
可选的，所述标定点处以编码形式记录标定数据，通过编码在数据库中提取相应节段的初始校准数据。
本发明的有益效果在于：
本发明基于分布式光纤应变、温度测试仪获得的每根光纤上沿长度方向逐点温度和应变值，解算出沿此线材全长范围内逐点温度、应变、转角坐标等多参数数值，构成了多参数线材型传感器。
本发明不仅可以实现大型构筑物内部变形量大小的监测，而且可以实现对被测对象内部各变形部位的空间三维坐标变化及扭转角度的解算；不仅可以采取埋入被测对象的方式进行监测,而且可以采用表贴在被测对象的方式进行监测；不仅可用于形状规则的大型构筑物的监测，而且特别适用对形状各异的大型构筑物进行监测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的截面示意图；
图2为本发明中第二传感光纤的布置形式示意图；
图3为本发明的一种应用场景示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图3，附图中的元件标号分别表示：保护套1、传感棒2、加强芯3、第一传感光纤4、第二传感光纤5。
本发明涉及一种测量空间位移的线材型传感装置，包括呈线材状的传感棒2，沿所述传感棒2的长度方向设有至少4条第一传感光纤4，所有的第一传感光纤4沿所述传感棒2的周向均布；所述传感棒2上螺旋布置有至少2条第二传感光纤5。
本发明上至少布设有3对传感光纤，其中两对为直线布置的第一传感光纤4，设传感棒截面为X-Y平面，沿光纤垂直径向为X向、Y向，沿X-Y平面垂向为Z向，两对第一传感光纤4沿X-Y平面正交对称布置，用于监测被测对象内部变位的三维空间坐标，在截面X、Y正交轴上各布置一对光纤时，就可解算出沿光纤纵向轴Z向测量断面的X、Y向变形值。所述第二光纤设有2条，螺距相等，旋向相反，对称布置，用于监测对象内部位置的扭转角度，螺旋缠绕的角度根据相关标准确定。根据螺旋缠绕的光纤对的变形数据,结合以上沿光纤纵向位置的变形数据，可反算出扭转角度。
为避免传感光纤之间的干涉，所述第一传感光纤4与所述第二传感光纤5布置在传感棒2的不同半径处，两对第一传感光纤4也可以布置在不同半径处。纵向的每对光纤的两根光纤中心距离是已知的，且相对于截面形心中心对称布置，在制作此装置时就已经固定好，根据上下或左右两个对称光纤的应变及已知光纤中心距离，可以反算出此光纤对所在面的变形。
为调整变形刚度，所述传感棒2内部中空，为加强其抗拉能力，所述传感棒2的中空部位设有加强芯3。传感棒2中心包裹一根抗拉能力很强的线材形状的加强芯3，比如钢丝、高强树脂线材等，用于调整传感棒2样条的抗拉刚度。此线材的刚度需要根据监测土体的刚度需求进行选择。传感棒2构件外部可以包裹一层保护套1，或包裹铠甲，保护套1或铠甲的材料需根据被测对象的压应变范围进行选择。
所述传感棒2的截面呈圆形或矩形，所述传感棒2沿其长度方向分为若干节段，每个节段的端部均设有标定点，所述标定点用于记录该节段的初始校准数据。对于传感棒2断面为圆形等非矩形截面时，可以按照一定距离布置方位标定标定点，在方位标定校准段位置及姿态已知情况下，可按三维附合导线方式，提高解算精度。每个线型空间变位传感器出厂前，用一定的拉力初步拉直，在水平直线状态测读出每根光纤的初始读数。为便于区分，所述标定点的截面呈矩形，可利用该矩形段空间坐标及姿态信息进行三维附合导线解算以提高测量精度。
所述标定点处以编码形式记录标定数据，通过编码在数据库中提取相应节段的初始校准数据。此处的编码形式可以是数字/符号/组合串码，也可以是条形码、二维码等。而初始校准数据可以记录在线材随附的说明书内，也可以记载在出厂网站的云端，通过录入编码提取云端数据库内初始数据。
监测时，将标定后的传感装置埋入被测对象(例如大型土体)内部，2对纵向正交的第一传感光纤4和1对螺旋缠绕的第二传感光纤5的引线分别连接到光纤测量仪。由光纤测量仪读出每对传感光纤沿线的应变变化。根据传感光纤沿线的应变变化，利用专用软件计算出被测对象内部位置的变化坐标及扭转角度。
本发明给出了一个实施例，以音符形状的音乐桥为例，可以在平直桥段铺设本发明的传感装置，也可以铺设在带有弧度的桥段上，以测量各个桥段的空间位移。
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)

1.一种测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，包括呈线材状的传感棒，沿所述传感棒的长度方向设有至少4条第一传感光纤，所有的第一传感光纤沿所述传感棒的周向均布；所述传感棒上螺旋布置有至少2条第二传感光纤，螺距相等，旋向相反，对称布置。
2.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述第一传感光纤设有4条，沿所述传感棒的周向正交对称布置。
3.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述传感棒内部中空。
4.如权利要求3中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述传感棒的中空部位设有加强芯。
5.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述传感棒的外侧设有保护套。
6.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述第一传感光纤与所述第二传感光纤布置在传感棒的不同半径处。
7.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述传感棒的截面呈圆形或矩形。
8.如权利要求1中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述传感棒沿其长度方向分为若干节段，每个节段的端部均设有标定点，所述标定点用于记录该节段的初始校准数据。
9.如权利要求8中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述标定点的截面呈矩形。
10.如权利要求8中所述的测量空间位移的线材型传感装置，其特征在于，所述标定点处以编码形式记录标定数据，通过编码在数据库中提取相应节段的初始校准数据。
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