CN112683177B - 一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其包括光纤光栅裂缝传感器、拉杆固定卡和支架；所述光纤光栅裂缝传感器包括基体以及设在基体内且从上到下依次连接的固定凸台、半圆环弹性片、活动拉杆，半圆环弹性片左右侧面分别设有第一光钎光栅和第二光钎光栅，第一光钎光栅和第二光钎光栅连接有延伸至基体外的传导光纤；所述拉杆固定卡包括底座、转轴和连接杆，转轴可旋转地安装于底座内，连接杆用于连接活动拉杆连接；支架包括支撑臂、摇摆臂和安装板，用于调节光纤光栅裂缝传感器的位置及角度。本发明结构简单紧凑、抗电磁干扰，能够实现传感器的温度自补偿和长期实时在线监测，使用寿命长，光纤光栅裂缝传感器位置及角度调整方便。

Description

一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置

技术领域

本发明属于隧道施工监测领域，尤其涉及一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置。

背景技术

位移监测是结构健康监测中最基本的测量项目之一，也是多种物理量变化监测的基础(如：应力应变、沉降、倾斜、加速度等)，对位移的实时监测在机械装备、土木工程等重大结构的变形、开裂、滑动监测中起到重要作用。目前，位移监测方面应用最多的是传统的电类传感器，但是电类传感器存在易受电磁干扰、稳定性差、难以长期实时监测及易受复杂恶劣的野外工作环境影响等缺点，位移变形测量中难以保证测量精度，且不具备远距离监测及数据传输功能，导致电类传感器的应用受到了极大限制。

在此情况下，光纤光栅传感器应运而生。光纤光栅利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。由于特有的优点，光纤光栅被广泛应用于传感器的设计。光纤位移传感器是近年发展起来的新型位移传感器，具有普通的机械和电子位移传感器所不具备的抗电磁干扰、电绝缘、耐久性好、体积小等优点，因而在位移测量应用中受到高度重视，而且被认为是最具发展潜力的光无源传感器件之一。光纤光栅传感器的结构形式也很多，比如中国专利CN2854587Y公开的滚轴式光纤光栅裂缝传感器公开的滚轴式光纤光栅裂缝传感器，是在一封装盒内设有同心不同直径的金属滚轴、轴承，金属滚轴的不同直径外圆处设有刚性连接的金属探杆和粘贴有光纤光栅的微细金属杆，金属探杆穿越封装盒向外延伸，金属杆的另一端与封装盒侧壁固定。还比如中国专利CN201382777Y公开的温度自补偿光纤光栅位移传感器是利用毛细金属管封装的两只裸光纤光栅通过金属连接块、弹簧和连接杆与探头相连，探头通过金属盒的导杆孔可以自由伸缩。

但是，现有的光纤光栅位移传感器在使用过程中存在以下缺陷：首先，现有的光纤光栅位移传感器采用弹簧作为形变部件拉动光纤光栅，由于弹簧长期承受形变，则使用寿命有限，不仅存在失效的可能，还影响长期位移监测的连贯性；其次，光纤光栅位移传感器的固定方式一般采用的是一端固定、另一端可变化的形式来产生位移，这样没有固定好另外一端的话，光纤光栅两端的受力加载明显不平衡，降低了光纤光栅的使用寿命；位移传感器只配备有一个探杆和一个弹簧用来获取位移，如果拉杆的位置正好安装在产生位移的点上时则有可能得不到所要检测的位移，降低传感器的测量准确度，从而忽略了一些安全隐患；最后，对于一些地形复杂的工况，比如监测隧道施工衬砌与道床相对位移时，由于衬砌采用的是弧形的结构，光纤光栅位移传感器安装于衬砌的不同位置时，其与道床的角度时不同的，因此对于光纤光栅位移传感器安装角度的调整过程比较繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种道施工衬砌与道床相对位移监测装置，以解决现有光纤光栅位移传感器使用寿命短、效率低、容易造成传感器器件损坏、耗费人力、存在安全隐患、用于隧道监测时安装角度难以控制等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明涉及一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其包括光纤光栅裂缝传感器、拉杆固定卡和支架；

所述的光纤光栅裂缝传感器包括基体、固定凸台、半圆环弹性片、活动拉杆、第一光钎光栅和第二光钎光栅，固定凸台的顶端固定在基体顶板内侧，半圆环弹性片的顶端与固定凸台的底端连接，活动拉杆的顶端与半圆环弹性片的底端连接，活动拉杆贯穿基体的底板，活动拉杆与基体滑动连接，第一光钎光栅固定在半圆环弹性片的左侧面，第二光钎光栅固定在半圆环弹性片的右侧面，第一光钎光栅和第二光钎光栅连接有传导光纤，传导光纤延伸至基体外；

所述的拉杆固定卡包括底座、转轴和连接杆，转轴可旋转地安装于底座内，转轴部分露出于底座，连接杆的一端与转轴固定，另一端与活动拉杆连接；

所述的支架包括支撑臂、摇摆臂和安装板，支撑臂的底端设有与衬砌连接的连接板，顶端与摇摆臂的底端铰接，安装板与摇摆臂的顶端铰接，所述的基体固定在安装板上。

优选地，所述的固定凸台与所述的基体采用一体式结构；所述的半圆环弹性片的两端分别通过螺栓与固定凸台以及活动拉杆连接。

优选地，所述的基体的底板上设有活动杆贯穿孔和传导光纤孔，活动杆贯穿孔的孔径与活动拉杆的直径相同，活动拉杆设置于活动杆贯穿孔中；传导光纤穿过传导光纤孔。

优选地，所述的第一光钎光栅和第二光钎光栅均通过环氧树脂胶粘贴在半圆环弹性片的表面。

优选地，所述的基体的两个相邻的侧面上分别设有用于调节光纤光栅裂缝传感器安装角度的倾斜仪，倾斜仪镶嵌在基体内；基体的其中一个侧面上还设有水平调节装置。

优选地，所述的倾斜仪包括一个罗盘和指针，罗盘上设有倾斜刻度，指针的一端铰接于罗盘的中心，另一端指向倾斜刻度，当倾斜仪处于垂直布置时，指针的指向始终朝下；所述的水平调节装置包括一个透明半球体的外壳，外壳内装有液体且未装满，进而在外壳内形成气泡，外壳的尖端设有基准圈。

优选地，所述的连接杆的端部设有与活动拉杆连接的螺孔，连接杆通过安装于螺孔内的螺钉与活动拉杆连接。

优选地，所述的底座包括用于连接道床的基板和连接柱，基板和连接柱采用一体式结构或焊接连接，基板上设有若干沉头孔，连接柱上设有U形槽，U型槽的两侧均设有通孔，所述的转轴的两端分别设在两侧的通孔内，转轴的中间部分露出于连接柱。

优选地，所述的转轴的两端呈阶梯型，转轴的中间部位设置有内螺纹孔，所述的连接杆位于螺孔相对的一端设有外螺纹端，所述的连接杆与转轴螺纹连接。

优选地，所述的安装板的表面设有若干与基体形状和尺寸对应的卡槽，所述的基体卡在卡槽内。

与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有以下技术效果：

1、本发明涉及的光纤光栅裂缝传感器由于采用光信号的传输来测量位移，因此它适用于各种恶劣的环境，传输距离远，不受外界磁场，雷击等影响，因此该位移传感器更可靠，有效寿命更长。

2、本发明涉及的光纤光栅裂缝传感器将两个光纤光栅分别粘贴在半圆环弹性片的左右侧面，当半圆环弹性片因外界位移量产生形变时，位于右侧面的第二光纤光栅被拉长，则位于左侧面的第一光纤光栅被压缩，利用差动法将两个光纤光栅的波长变化差值输出被测物体位移测量信号即可消除温度和应变交叉敏感的问题，进而实现温度自补偿，从而能适应复杂多变外界的测试环境，并且可直接应用于实际工程中。

3、本发明涉及的光纤光栅裂缝传感器采用半圆环弹性片的变形拉动光纤光栅，半圆环弹性片自身具备伸缩弹性，不需要再另外设置复位弹簧，提高了传感器在施工检测中的存活率，还可以应用于建筑以及水坝方面的结构位移量进行实时监测；并且通过调节半圆环弹性片的弯度或固定凸台和活动拉杆之间的距离大小可以有效的调节测量的准确度和精度，从而满足不同环境下的测量需求。

4、本发明在光纤光栅裂缝传感器活动拉杆的端部设置了拉杆固定卡，拉杆固定卡的转轴可在底座内进行360°的旋转，安装于拉杆式位移传感器后，可以满足拉杆式位移传感器对于在任意方向固定的需求，且结构简单、便于操作，适用于各种环境下的需求，并通过拉杆固定卡将活动拉杆与被测结构固定，使得拉杆式位移传感器两端的受力加载得到平衡，避免因传感器的自由端快速回弹而引起的传感器本体内张紧机构的损坏，避免造成传感器不可修复损坏；同时，提高当活动拉杆的位置正好安装在产生位移的点上时传感器的测量准确度。

5、本发明将光纤光栅裂缝传感器安装于一支架上，该支架包括支撑臂、与支撑臂顶端铰接的摇摆臂以及与摇摆臂顶端铰接的安装板，将光纤光栅裂缝传感器安装与衬砌和道床之间是，通过摇摆臂和安装板调整光纤光栅裂缝传感器的外置和角度，实现光纤光栅裂缝传感器的快速安装，适用于各种角度的安装。

附图说明

图1为隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置的立体图；

图2为隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置的主视图；

图3为实施例1涉及的一种光纤光栅裂缝传感器的竖向剖面图；

图4为实施例2涉及的光纤光栅裂缝传感器的立体图；

图5为实施例2涉及的光纤光栅裂缝传感器的竖向剖面图；

图6为实施例2涉及的光纤光栅裂缝传感器的侧视图；

图7为拉杆固定卡的立体图；

图8为转轴的结构示意图；

图9为连接杆的结构示意图；

图10为安装板的侧视图。

其中：1-基体，2-半圆环弹性片，3-第一光纤光栅，4-第二光纤光栅，5-固定凸台，6-活动拉杆，7-传导光纤，8-倾斜仪，9-水平调节装置，11-底座，12-转轴，13-连接杆，14-螺孔，15-基板，16-连接柱，17-沉头孔，18-内螺纹孔，19-外螺纹端，31-支撑臂，32-摇摆臂，33-安装板，34-卡槽，81-罗盘，82-指针，83-倾斜刻度，91-外壳，92-气泡，93-基准圈。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

实施例1

参照附图1和2所示，本发明涉及的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置包括光纤光栅裂缝传感器、拉杆固定卡和支架。

参照附图3所示，本实施例涉及的光纤光栅裂缝传感器包括基体1、固定凸台5、半圆环弹性片2、活动拉杆6、第一光钎光栅3和第二光钎光栅4。所述固定凸台5的顶端固定在基体1的顶板的内侧，所述半圆环弹性片2的顶端与固定凸台5的底端连接，所述活动拉杆6的顶端与半圆环弹性片2的底端连接，活动拉杆6贯穿基体1的底板，活动拉杆6与基体1滑动连接；所述第一光钎光栅3固定在半圆环弹性片2的左侧面，所述第二光钎光栅4固定在半圆环弹性片2的右侧面，半圆环弹性片2自身具备伸缩弹性，无需另外设置复位弹簧，第一光钎光栅3和第二光钎光栅4连接有传导光纤7，传导光纤7延伸至基体1外。

所述固定凸台5与所述基体1采用一体式结构；所述半圆环弹性片2的两端分别通过螺栓与固定凸台5以及活动拉杆6连接；所述基体1的底板上设有活动杆贯穿孔，活动杆贯穿孔的孔径与活动拉杆6的直径相同，活动拉杆6设置于活动杆贯穿孔中，活动拉杆6可以上下移动；所述的基体1的底板上设有传导光纤孔，所述传导光纤7穿过传导光纤孔。

所述第一光钎光栅3和第二光钎光栅4均通过环氧树脂胶粘贴在半圆环弹性片2的表面，且粘贴在半圆环弹性片2下表面的第一光纤光栅3，要贴于半圆环弹性片2的内侧曲面，不能太过于弯曲，以防止光纤光栅被折断，选取的第一光纤光栅3和第二光纤光栅4的中心波长相差不大。通过调节半圆环弹性片2的弯度或固定凸台5和活动拉杆6之间的距离大小可以有效的调节测量的准确度和精度，从而满足不同环境下的测量需求。

参照附图7～9所示，拉杆固定卡包括底座11、转轴12和连接杆13。所述的底座11包括基板15和连接柱16，基板15上设有若干用于连接道床的沉头孔17，连接柱16上设有U形槽，U型槽的两侧均设有通孔。所述的转轴12的两端分别设在两侧的通孔内，进而使转轴12可旋转地安装于底座11内，由于转轴12的两端呈阶梯型，转轴12可在连接柱16上做360度的旋转，且阶梯型的结构对转轴12进行径向固定，转轴12的中间部分露出于连接柱16，转轴12的中间部位设置有内螺纹孔18；所述的连接杆13位于螺孔14相对的一端设有外螺纹端19，所述的连接杆13与转轴12螺纹连接，进而使连接杆13与转轴12固定，连接杆13的端部设有与拉杆式位移传感器的活动拉杆连接的螺孔14。

参照附图1、2、10所示，所述支架包括支撑臂31、摇摆臂32和安装板33，支撑臂31的底端设有与衬砌连接的连接板，顶端与摇摆臂32的底端铰接，安装板33与摇摆臂32的顶端铰接，安装板33的表面设有若干与基体1形状和尺寸对应的卡槽34，基体1卡在卡槽34内，使得基体1固定在安装板33上。

本发明涉及的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置的安装步骤包括：

首先将支架固定在衬砌上，将光纤光栅裂缝传感器安装于支架的安装板33上，调整摇摆臂32以及安装板33的角度，使得光纤光栅裂缝传感器靠近道床且使光纤光栅裂缝传感器的活动拉杆6基本与道床的表面垂直；然后将拉杆固定卡安装于道床上，即用沉头螺钉贯穿沉头孔17，在将连接杆13调节至与活动拉杆6在同一水平直线上，调试好后，最后用紧固螺钉将连接杆13和活动拉杆6固定在一起，完成隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置的安装。

本实施例涉及的光纤光栅裂缝传感器的工作原理为：

当衬砌和道床发生相对位移时，两者之间的距离变大或变小，带动活动拉杆6移动，使得与之固定的半圆环弹性片2发生弯曲形变，从而让位于右侧面的第二光纤光栅4被拉伸或收缩，位于左侧面的第一光纤光栅4被收缩或拉伸，造成两侧的光纤光栅的中心波长产生变化，即可通过检测光纤光栅的中心波长的变化量得出被测量的建筑结构在产生裂缝时的位移量。

实施例2

为了使该装置的监测更加准确，本实施例对光纤光栅裂缝传感器进行了进一步改进，在实施例1的基础上增设了两个倾斜仪8和一个水平调节装置9，即在基体1的其中两个相邻的侧面上分别设有用于调节光纤光栅裂缝传感器安装角度的倾斜仪8，倾斜仪8镶嵌在基体1内，基体1的其中一个侧面上设有水平调节装置9；水平调节装置9可以与其中一个倾斜仪8设置在基体1的同一个侧面上，也可与两个倾斜仪8分开，单独设置在基体1的另一个侧面上。

倾斜仪8包括一个罗盘81和指针82，罗盘81上设有倾斜刻度83，指针82的顶端铰接于罗盘81的中心，当倾斜仪8处于垂直布置时，指针82的指向始终朝下；所述的水平调节装置9包括一个透明半球体的外壳91，外壳91内装有液体且未装满，进而在外壳91内形成气泡92，外壳91的尖端设有基准圈93。

当光纤光栅裂缝传感器需要垂直设置时，为确保光纤光栅裂缝传感器是垂直布置的，观察基体1两个相邻侧面上的倾斜仪8，确保两个倾斜仪8的指针82均指向标记为“0”的倾斜刻度83。

当光纤光栅裂缝传感器需要水平设置时，为确保光纤光栅裂缝传感器是水平布置的，将具有水平调节装置9的一侧侧面朝上，调节光纤光栅裂缝传感器使气泡92位于基准圈93内，表面光纤光栅裂缝传感器处于水平状态。

当光纤光栅裂缝传感器需要倾斜设置时，首先通过测量的方式确定光纤光栅裂缝传感器位于安装位置时所需要的倾斜角度，安装光纤光栅裂缝传感器时，将其中设有倾斜仪8的一面朝向安装者，安装时，基体1也是倾斜的，且指针82的指向始终朝下，故安装后确保指针82指向倾斜刻度83的刻度值与所测量倾斜角度相同。

通过上述设计，有助于提高光纤光栅裂缝传感器的安装角度，进而确保后期监测相对位移时的准确性。本实施例在监测衬砌和道床相对位移变化情况时，光纤光栅裂缝传感器的工作原理与实施例1中光纤光栅裂缝传感器的工作原理相同，本实施例不再阐述。

尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员应当清楚在不脱离本发明所附的权利要求公开的范围和精神情况下，仍然可以进行多种修改、添加及替代。

Claims (10)

1.一种隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：其包括光纤光栅裂缝传感器、拉杆固定卡和支架；

所述的光纤光栅裂缝传感器包括基体(1)、固定凸台(5)、半圆环弹性片(2)、活动拉杆(6)、第一光钎光栅(3)和第二光钎光栅(4)，固定凸台(5)的顶端固定在基体(1)顶板内侧，半圆环弹性片(2)的顶端与固定凸台(5)的底端连接，活动拉杆(6)的顶端与半圆环弹性片(2)的底端连接，活动拉杆(6)贯穿基体(1)的底板，活动拉杆(6)与基体(1)滑动连接，第一光钎光栅(3)固定在半圆环弹性片(2)的左侧面，第二光钎光栅(4)固定在半圆环弹性片(2)的右侧面，第一光钎光栅(3)和第二光钎光栅(4)连接有传导光纤(7)，传导光纤(7)延伸至基体(1)外；

所述的拉杆固定卡包括底座(11)、转轴(12)和连接杆(13)，转轴(12)可旋转地安装于底座(11)内，转轴(12)部分露出于底座(11)，连接杆(13)的一端与转轴(12)固定，另一端与活动拉杆(6)连接；

所述的支架包括支撑臂(31)、摇摆臂(32)和安装板(33)，支撑臂(31)的底端设有与衬砌连接的连接板，顶端与摇摆臂(32)的底端铰接，安装板(33)与摇摆臂(32)的顶端铰接，所述的基体(1)固定在安装板(33)上。

2.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的固定凸台(5)与所述的基体(1)采用一体式结构；所述的半圆环弹性片(2)的两端分别通过螺栓与固定凸台(5)以及活动拉杆(6)连接。

3.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的基体(1)的底板上设有活动杆贯穿孔和传导光纤孔，活动杆贯穿孔的孔径与活动拉杆(6)的直径相同，活动拉杆(6)设置于活动杆贯穿孔中；传导光纤(7)穿过传导光纤孔。

4.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的第一光钎光栅(3)和第二光钎光栅(4)均通过环氧树脂胶粘贴在半圆环弹性片(2)的表面。

5.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的基体(1)的两个相邻的侧面上分别设有用于调节光纤光栅裂缝传感器安装角度的倾斜仪(8)，倾斜仪(8)镶嵌在基体(1)内；基体(1)的其中一个侧面上还设有水平调节装置(9)。

6.根据权利要求5所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的倾斜仪(8)包括一个罗盘(81)和指针(82)，罗盘(81)上设有倾斜刻度(83)，指针(82)的一端铰接于罗盘(81)的中心，另一端指向倾斜刻度(83)，当倾斜仪(8)处于垂直布置时，指针(82)的指向始终朝下；

所述的水平调节装置(9)包括一个透明半球体的外壳(91)，外壳(91)内装有液体且未装满，进而在外壳(91)内形成气泡(92)，外壳(91)的尖端设有基准圈(93)。

7.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的连接杆(13)的端部设有与活动拉杆(6)连接的螺孔(14)，连接杆(13)通过安装于螺孔(14)内的螺钉与活动拉杆(6)连接。

8.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的底座(11)包括用于连接道床的基板(15)和连接柱(16)，基板(15)和连接柱(16)采用一体式结构或焊接连接，基板(15)上设有若干沉头孔(17)，连接柱(16)上设有U形槽，U型槽的两侧均设有通孔，所述的转轴(12)的两端分别设在两侧的通孔内，转轴(12)的中间部分露出于连接柱(16)。

9.根据权利要求8所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的转轴(12)的两端呈阶梯型，转轴(12)的中间部位设置有内螺纹孔(18)，所述的连接杆(13)位于螺孔(14)相对的一端设有外螺纹端(19)，所述的连接杆(13)与转轴(12)螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的隧道施工衬砌与道床相对位移监测装置，其特征在于：所述的安装板(33)的表面设有若干与基体(1)形状和尺寸对应的卡槽(34)，所述的基体(1)卡在卡槽(34)内。

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