CN112648931A - 一种灌注桩光纤监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灌注桩光纤监测系统，每个灌注桩监测点内均设置有光纤传感器，所述光纤传感器通过保护扣件安装在灌注桩的主筋上，所述光纤传感器还连接有光纤引出线，所述光纤引出线连通至检测模块。本系统实现了基坑变形自动监测功能，具有测量方便、测量效率高、受测量环境影响小、可实时预警等优点，实现了智能测量的功能，使测量信息化；本申请的保护扣件能有效地保护了光纤传感器，防止施工对光纤传感器的破坏，实用性强。同时本系统一台光纤解调仪实现了对各个施工现场的基坑监测，解决了光纤解调仪数量少且价格昂贵的问题，且无需增派现场技术人员进行监测，管理方便，监测效率大大提高，监测成本大大降低。

Description

一种灌注桩光纤监测系统及方法

技术领域

本发明涉及安全检测设备领域，具体涉及一种灌注桩光纤监测系统及方法。

背景技术

在基坑监测和预警过程中，由于很多待测点环境复杂多变,同时这类检测需要长期、在线进行，因此需要抗干扰性强、抗腐蚀的传感器，同时需要派人值守监测，进行测量数据的读取与记录，耗时耗力。目前已有光纤传感器用于基坑灌注桩监测预警。但是在光纤传感器的埋设中，光纤传感器受到器械、人为因素的干扰，存在光纤传感器受损严重的问题，光纤传感器的成活率过低，导致在测量时采集数据失败，采集失败后又难以再次安装光纤传感器，导致基坑监测测点降低，监测数据大大减少，导致基坑施工存在较大的安全隐患。

由于基坑监测中光纤传感器供电和信号传输困难,目前这些传感器都是单体工作的，使用的时候只能是工作人员到监测点，用专用的手持设备逐个去读取各个传感器的数据，收集相关状态信息，获得的信息拿回实验室进行分析，然后得出结果，这种方法无法实现联网和在线监控预警的功能，且监测的范围较小。此外，光纤解调系统价格昂贵,如每个施工现场都要运用此设备读取数据，光纤解调系统老化速度会加快,影响使用寿命,从而导致整体监测成本的大幅上升。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种能化、能适用于大范围的灌注桩光纤监测系统及方法。

为实现该技术目的，本发明的方案是：一种灌注桩光纤监测系统，每个灌注桩监测点内均设置有光纤传感器，所述光纤传感器通过保护扣件安装在灌注桩的主筋上，所述光纤传感器还连接有光纤引出线，所述光纤引出线连通至检测模块。

作为优选，所述保护扣件包括活动套管和扣具，所述活动套管由转轴、半月内盖和半月外盖组合而成，所述半月外盖能绕转轴向外打开；

所述扣具一端与半月内盖固定连接，所述扣具另一端能通过螺丝扣合固定在主筋上，所述光纤传感器通过环氧树脂层粘接在半月内盖和半月外盖内。

作为优选，所述半月内盖和半月外盖边沿上分别设置有极性相反的磁铁，半月内盖和半月外盖靠近时自动磁吸附闭合。

作为优选，检测模块包括：可调谐激光器，用于发出指定波长的调谐光；

耦合器，用于将调谐光分为第一调谐光信号和第二调谐光信号；

干涉仪，包括信号臂和参考臂，信号臂连接光纤传感器，第一调谐光信号进入光纤传感器，信号臂接收背向瑞利散射信号；背向瑞利散射信号与第二谐调光信号发声拍频获得拍频光信号，参考臂用于将拍频光信号分成偏振方向正交的P光、S光；

偏振分束器，用于将偏振方向正交的P光、S光分成两束光；

光电转换器，用于把P光信号、S光信号转换成对应的电信号数据；

采集卡，用于通过数据传输线采集每个灌注桩监测点的电信号数据，并将电信号数据储存在本地；

终端服务器，用于接收存储电信号数据；

无线传输器，用于将采集的电信号数据传出存储在终端服务器；

光纤解调仪，用于解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理求出分布式光纤相应位置处的应变值。

作为优选，相邻的灌注桩监测点通过数据传输线电连接，相邻的灌注桩监测点共用一套采集卡和无线传输器。

一种监测方法，根据灌注桩光纤监测系统，具体步骤如下：

S1、转换，每个灌注桩监测点内调谐光通过耦合器、干涉仪、偏振分束器和光电缓转换器后生成对应的电信号数据；

S2、采集传输，采集卡采集每个灌注桩监测点发出的电信号数据，并通过无线传输器将电信号数据传输给终端服务器；

采集卡向指定的灌注桩监测点发出指定脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后，发出电信号给采集卡，采集卡收到传入的电信号，当电信号的时间间隔符合预设要求时，采集卡继续发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后进行数据检监测，当采集卡采集到预设的组数时发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到后暂停监测；

不同灌注桩监测点的用于触发的脉冲信号不同；

S3、解析，光纤解调仪从终端服务器获得电信号数据，其解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理能计算出光纤传感器相应位置处的弯矩与挠度；

灌注桩弯矩分布的计算公式如下：

式中，M(x)为某截面处桩身弯矩；I为桩身截面惯性矩；E为桩身材料弹性模量；Δε为桩身的应变变化量；

桩的挠度分布的计算公式如下：

式中，y_d(x)为某截面处的挠度；C和D是由边界条件决定的参数。

本发明的有益效果，本系统实现了基坑变形自动监测功能，具有测量方便、测量效率高、受测量环境影响小、可实时预警等优点，实现了智能测量的功能，使测量信息化；本申请的保护扣件能有效地保护了光纤传感器，防止施工对光纤传感器的破坏，实用性强。同时本系统一台光纤解调仪实现了对各个施工现场的基坑监测，解决了光纤解调仪数量少且价格昂贵的问题，且无需增派现场技术人员进行监测，管理方便，监测效率大大提高，监测成本大大降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明的局部结构示意图；

图4为本发明的局部剖视图；

图5为本发明的结构框图；

图6为本发明的采集卡数据采集的流程图；。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-6所示，本发明所述的具体实施例为一种灌注桩光纤监测系统，每个灌注桩监测点1内均设置有光纤传感器2，所述光纤传感器2通过保护扣件3安装在灌注桩4的主筋5上，所述光纤传感器2还连接有光纤引出线6，所述光纤引出线6连通至检测模块7。该光纤传感器为光纤光栅。

所述保护扣件3包括活动套管301和扣具302，所述活动套管301由转轴303、半月内盖304和半月外盖305组合而成，所述半月外盖305能绕转轴303向外打开；

所述扣具302一端与半月内盖304固定连接，所述扣具302另一端能通过螺丝扣合固定在主筋5上，所述光纤传感器2通过环氧树脂层8粘接在半月内盖304和半月外盖305内。

所述半月内盖304和半月外盖305边沿上分别设置有极性相反的磁铁306，半月内盖304和半月外盖305靠近时自动磁吸附闭合。

检测模块7包括：可调谐激光器，用于发出指定波长的调谐光；

耦合器，用于将调谐光分为第一调谐光信号和第二调谐光信号；

干涉仪，包括信号臂和参考臂，信号臂连接光纤传感器，第一调谐光信号进入光纤传感器，信号臂接收背向瑞利散射信号；背向瑞利散射信号与第二谐调光信号发声拍频获得拍频光信号，参考臂用于将拍频光信号分成偏振方向正交的P光、S光；

偏振分束器，用于将偏振方向正交的P光、S光分成两束光；

光电转换器，用于把P光信号、S光信号转换成对应的电信号数据；

采集卡，用于通过数据传输线采集每个灌注桩监测点的电信号数据，并将电信号数据储存在本地；

终端服务器，用于接收存储电信号数据；

无线传输器，用于将采集的电信号数据传出存储在终端服务器；

光纤解调仪，用于解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理求出分布式光纤相应位置处的应变值。

为了进一步降低成本，如图5，每个灌注桩监测点内只设置光电信号转换系统，相邻的灌注桩监测点1通过数据传输线8电连接，相邻的灌注桩监测点1共用一套采集卡9和无线传输器10。

一种监测方法，根据灌注桩光纤监测系统，具体步骤如下：

S1、转换，每个灌注桩监测点内调谐光通过耦合器、干涉仪、偏振分束器和光电缓转换器后生成对应的电信号数据；

S2、采集传输，采集卡采集每个灌注桩监测点发出的电信号数据，并通过无线传输器将电信号数据传输给终端服务器；

采集卡向指定的灌注桩监测点发出指定脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后，发出电信号给采集卡，采集卡收到传入的电信号，当电信号的时间间隔符合预设要求时，采集卡继续发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后进行数据检监测，当采集卡采集到预设的组数时发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到后暂停监测；

不同灌注桩监测点的用于触发的脉冲信号不同；

S3、解析，光纤解调仪从终端服务器获得电信号数据，其解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理能计算出光纤传感器相应位置处的弯矩与挠度；

灌注桩弯矩分布的计算公式如下：

式中，M(x)为某截面处桩身弯矩；I为桩身截面惯性矩；E为桩身材料弹性模量；Δε为桩身的应变变化量；

桩的挠度分布的计算公式如下：

式中，y_d(x)为某截面处的挠度；C和D是由边界条件决定的参数。

本系统使用时，1.灌注桩应力变形的自动化与实时监测，实现基坑预警功能；2.测量装置的安装保护光纤，测量精度高。3.通过无线传输装置可实现室内监测，可实现大范围的快速监测功能，大大提高了监测效率。4.一台光纤解调仪实现了对各个施工现场的基坑监测，解决了光纤解调仪数量少且价格昂贵的问题，监测效率高，监测成本低。

本申请采用光纤传感器具有抗电磁干扰、稳定性好、耐腐蚀、高灵敏度、高分辨率等优点，适用于工地复杂的环境，可以串接使用，实现了远程传输。本系统实现了基坑变形自动监测功能，具有测量方便、测量效率高、受测量环境影响小、可实时预警等优点，实现了智能测量的功能，使测量信息化。本申请的保护扣件能有效地保护了光纤传感器，防止施工对光纤传感器的破坏，实用性强。同时本系统一台光纤解调仪实现了对各个施工现场的基坑监测，解决了光纤解调仪数量少且价格昂贵的问题，且无需增派现场技术人员进行监测，管理方便，监测效率大大提高，监测成本大大降低。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种灌注桩光纤监测系统，其特征在于：每个灌注桩监测点内均设置有光纤传感器，所述光纤传感器通过保护扣件安装在灌注桩的主筋上，所述光纤传感器还连接有光纤引出线，所述光纤引出线连通至检测模块。

2.根据权利要求1所述的灌注桩光纤监测系统，其特征在于：所述保护扣件包括活动套管和扣具，所述活动套管由转轴、半月内盖和半月外盖组合而成，所述半月外盖能绕转轴向外打开；

所述扣具一端与半月内盖固定连接，所述扣具另一端能通过螺丝扣合固定在主筋上，所述光纤传感器通过环氧树脂层粘接在半月内盖和半月外盖内。

3.根据权利要求1所述的灌注桩光纤监测系统，其特征在于：所述半月内盖和半月外盖边沿上分别设置有极性相反的磁铁，半月内盖和半月外盖靠近时自动磁吸附闭合。

4.根据权利要求1所述的灌注桩光纤监测系统，其特征在于：检测模块包括：可调谐激光器，用于发出指定波长的调谐光；

耦合器，用于将调谐光分为第一调谐光信号和第二调谐光信号；

干涉仪，包括信号臂和参考臂，信号臂连接光纤传感器，第一调谐光信号进入光纤传感器，信号臂接收背向瑞利散射信号；背向瑞利散射信号与第二谐调光信号发声拍频获得拍频光信号，参考臂用于将拍频光信号分成偏振方向正交的P光、S光；

偏振分束器，用于将偏振方向正交的P光、S光分成两束光；

光电转换器，用于把P光信号、S光信号转换成对应的电信号数据；

采集卡，用于通过数据传输线采集每个灌注桩监测点的电信号数据，并将电信号数据储存在本地；

终端服务器，用于接收存储电信号数据；

无线传输器，用于将采集的电信号数据传出存储在终端服务器；

光纤解调仪，用于解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理求出分布式光纤相应位置处的应变值。

5.根据权利要求4所述的灌注桩光纤监测系统，其特征在于：相邻的灌注桩监测点通过数据传输线电连接，相邻的灌注桩监测点共用一套采集卡和无线传输器。

6.一种监测方法，其特征在于：根据权利要求4-5任一项的灌注桩光纤监测系统，具体步骤如下：

S1、转换，每个灌注桩监测点内调谐光通过耦合器、干涉仪、偏振分束器和光电缓转换器后生成对应的电信号数据；

S2、采集传输，采集卡采集每个灌注桩监测点发出的电信号数据，并通过无线传输器将电信号数据传输给终端服务器；

采集卡向指定的灌注桩监测点发出指定脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后，发出电信号给采集卡，采集卡收到传入的电信号，当电信号的时间间隔符合预设要求时，采集卡继续发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到脉冲信号后进行数据检监测，当采集卡采集到预设的组数时发出脉冲信号，该灌注桩监测点收到后暂停监测；

不同灌注桩监测点的用于触发的脉冲信号不同；

S3、解析，光纤解调仪从终端服务器获得电信号数据，其解析电信号数据获得布里渊频移量，通过布里渊散射原理能计算出光纤传感器相应位置处的弯矩与挠度；

灌注桩弯矩分布的计算公式如下：

式中，M(x)为某截面处桩身弯矩；I为桩身截面惯性矩；E为桩身材料弹性模量；Δε为桩身的应变变化量；

桩的挠度分布的计算公式如下：

IEy_d(x)＝-∫[∫M(x)d(x)]d(x)+Cx+D

式中，y_d(x)为某截面处的挠度；C和D是由边界条件决定的参数。

Images