CN113108758A - 一种多功能地下传感监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能地下传感监测系统，包括：分布式沉降传感器，至少两个刚性梁，相邻两个刚性梁铰接，弹性梁设置在相邻两个刚性梁之间，弹性梁上设置有光纤孔，光纤孔的两端分别与相邻两个刚性梁对应；土压力传感器，是由三维打印的碳纤维盒与光纤光栅传感器组成，通过测量碳纤维盒的应变计算出土压力的大小；空隙水压力传感器:光纤光栅封装于底部开孔的不锈钢圆柱内，不锈钢圆柱内通过灌注硅橡胶聚合物来固定光纤光/栅，不锈钢圆柱顶部是透水石，孔隙水会透过传感器顶部的透水石进入到传感器的压力腔，不锈钢膜片受到水压力的作用引起硅橡胶聚合物压缩，使其产生轴向应力，从而使光纤光栅产生轴向应变。

Description

一种多功能地下传感监测系统

技术领域

本发明涉及沉降观测技术领域，更具体地说，是涉及一种多功能地下传感监测系统。

背景技术

随着我国经济技术的高速发展，我国高速公路的交通流量日益增加，修建长里程、高质量、高标准、高等级的高速公路是缓解这一难题的主要解决方法。但是我国地域广表辽阔，地形错综复杂，软土类别较多且分布较广，在规划高速公路时不可避免地穿过软土地带。由于软土的沉降量大、灵敏度高、透水性差、固结过程时的稳定性差等不良工程特点，所以软基的沉降是否满足工程建设要求已经成为岩土界学者们关注的重点。

现有技术中，测量路基沉降的传统方法诸如沉降板法，分层沉降法等，但上述测量方法在实际应用中存在诸多缺陷。

沉降板法是一种传统的路基沉降监测方法，常见于公路监测。沉降法板通过填埋沉降板后使用水准仪进行定期观测，以获得沉降数据。沉降板主要由底板、测杆以及保护套组成。沉降板法便于操作，容易实施，其监测数据也较为可靠。但是沉降板法的测量高度始终高于道路结构的各结构层，使得沉降板测量设备难以保护，在施工期间破坏率很高，因此在实际使用中有诸多不便。

分层沉降法与沉降板法类似，通过填埋分层沉降设备并定期进行观测，分层沉降设备由分层沉降管、分层沉降标、测试仪等组成，如专利号CN106337406A所述的土体分层沉降监测装置，该装置的测量方法有着与沉降板法类似的缺点，即监测设备难以保护，存活率低，而且分层沉降法成本较高，安装复杂。

目前，新型路基沉降传感器基本实现自动化、连续性监测，如公开的专利号CN103512550A所述的一种深水堤基沉降观测仪，该专利公开的监测方法相对于沉降板法更为简单，操作方便，但是由于无线沉降传感器具有高精度、高速度、大范围等特点，受到干扰和破坏的风险大；又如专利号CN201075007所述的传感装置，该装置通过压力差来反应高程的变化，该装置虽然能够实时连续地反映沉降曲线，且价格低廉，但是抗电磁干扰能力差，寿命短。

以上不足，有待改进。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种多功能地下传感监测系统。

本发明技术方案如下所述：

一种多功能地下传感监测系统，包括分布式沉降传感器，

所述分布式沉降传感器包括

至少两个刚性梁，所述刚性梁通过铰接件首尾相连，

弹性梁，所述弹性梁设置在相邻两个所述刚性梁之间，所述弹性梁设置有光纤孔，所述光纤孔的两端分别与相邻两个所述刚性梁对应；

分布式光纤，所述弹性梁内均封装分布式光纤，所述分布式光纤贯穿所述光纤孔，所述分布式光纤两端均裸露在所述弹性梁的外侧。

上述的分布式沉降传感器，所述刚性梁的上侧对称设有安装槽，所述弹性梁设置在相邻两个所述刚性梁之间，所述弹性梁两端分别设置在相邻两个所述刚性梁的两个安装槽内。

上述的分布式沉降传感器，所述弹性梁采用三维打印技术形成，以封装所述分布式光纤。

上述的分布式沉降传感器，所述刚性梁的中部设有穿线孔，所述穿线孔与所述安装槽连通，裸露在所述弹性梁外侧的所述分布式光纤自所述穿线孔内穿出。

上述的一种沉降传感器，所述分布式光纤数量为二，裸露在所述弹性梁外的所述分布式光纤外套设有保护套。

上述的分布式沉降传感器，所述刚性梁通过铰接件与相邻的所述刚性梁铰接，所述铰接件包括

第一铰接板，所述第一铰接板与其中一个所述刚性梁连接，所述第一铰接板设置有第一铰接孔；

第二铰接板，所述第二铰接板与另一个所述刚性梁连接，所述第二铰接板设置有第二铰接孔；

转动轴，所述转动轴穿过所述第一铰接孔与所述第二铰接孔固定。

上述的分布式沉降传感器制备步骤包括：

步骤A1.准备所述分布式光纤，采用三维打印技术将所述分布式光纤封装在所述弹性梁中，并使得所述分布式光纤的两端均裸露在所述弹性梁外侧；

步骤A2.采用三维打印技术打印多个所述刚性梁，并将所述刚性梁通过铰接件首尾连接；

步骤A3.将所述弹性梁固定在相邻两个所述刚性梁的安装槽内；

步骤A4.将裸露在所述弹性梁外侧的所述分布式光纤自所述刚性梁的穿线孔内穿出。

进一步的，在步骤A2中，封装所述分布式光纤前先对所述分布式光纤进行预压处理。

进一步的，在步骤A4中，对裸露在所述弹性梁外部的部分所述分布式光纤套设保护管。

上述的分布式沉降传感器的监测步骤包括：

步骤B1.对所述分布式沉降传感器裸露在所述弹性梁外侧的所述分布式光纤进行线缆包裹的处理；

步骤B2.对所述分布式沉降传感器做标定试验，通过标定试验得出

(1)所述分布式光纤的相对转角与中心波长之间的线性关系，

(2)所述分布式光纤的相对转角与沉降量的关系，

对上述得到的数据关系进行统计分析，并记录下所述分布式光纤中心波长的变化，根据所述分布式光纤中心波长的变化计算得所述分布式光纤的相对转角，并计算得出标定沉降量；

步骤B3.将完成标定试验的所述分布式沉降传感器布置在已设定的监测点，通过采集所述分布式光纤中心波长的变化，结合所述分布式光纤标定试验得出的所述分布式光纤中心波长与所述分布式光纤相对转角的关系，直接读出监测点沉降量的数值。

上述的一种多功能地下传感监测系统，包括土压力传感器，所述土压力传感器包括TBU盒与设置在所述TBU盒内的光纤光栅。

进一步的，所述光纤光栅采用三维打印技术封装在所述TBU盒内部。

上述的一种多功能地下传感监测系统，包括水压力传感器，所述水压力传感器包括不锈钢圆柱，所述不锈钢圆柱内灌注硅橡胶聚合物固定光纤光栅，所述不锈钢圆柱顶部设置透水石。

进一步的，所述水压力传感器置于存在孔隙水压力的介质中时，孔隙水会透过所述水压力传感器顶部的所述透水石进入所述水压力传感器内部的压力腔，所述压力腔内的不锈钢膜片受到水压力的作用引起所述硅橡胶聚合物压缩，使所述硅橡胶聚合物产生轴向应力，使所述光纤光栅产生轴向应变。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明设计的分布式沉降传感器中，相邻两个刚性梁之间铰接，当出现沉降时，相邻两个刚性梁发生转动，设置相邻两个刚性梁之间的弹性梁发生形变，刚性梁内的分布式光纤也发生形变，通过测量分布式光纤的中心波长可以得到沉降量，由于采用刚性梁和弹性梁可以较好保护分布式光纤，从而提高了分布式沉降传感器的存活率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的沉降传感器的结构示意图。

图2为本发明的弹性梁的结构示意图。

图3为本发明的弹性梁内分布式光纤的结构示意图。

图4为本发明的纯弯梁力学简图。

图5为本发明的沉降传感器整体沉降示意图。

图6为本发明的沉降传感器横截面转动变量关系示意图一。

图7为本发明的沉降传感器横截面转动变量关系示意图二。

图8为本发明的土压力传感器的示意图。

图9为本发明的渗透水压力传感器的示意图。

图10为本发明的沉降传感器的安装结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1.刚性梁；11.安装槽；12.穿线孔；

2.弹性梁；

3.分布式光纤；

4.铰接件；41.转动轴；42.第一铰接板；43.第二铰接板；

5.光纤解调仪；

6.土压力传感器；61.TPU盒；62.光纤光栅；

7.渗透水压力传感器；71.不锈钢圆柱体；72.硅橡胶聚合物；73.不锈钢膜片；74.光纤光栅；75.透水石；76.压力腔；

8.不同的土层。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定”或“设置”或“连接”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。“若干个”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体地限定。

如图1和图2所示，本发明的一种分布式沉降传感器，包括：

至少两个刚性梁1，即第一刚性梁与第二刚性梁，相邻两个刚性梁1铰接，即第一刚性梁和第二刚性梁铰接；

弹性梁2，弹性梁2设置于相邻两个刚性梁1之间，弹性梁2上设置有光纤孔，光纤孔的两端分别与相邻两个刚性梁1对应；

分布式光纤3，分布式光纤3贯穿光纤孔。

具体地，刚性梁1是指具有刚性的梁，刚性梁1在受力时不产生形变，由于第一刚性梁和第二刚性梁铰接，也就是说，第一刚性梁和第二刚性梁至少在一个角度上可以相对转动，因此，刚性梁1受力时，第一刚性梁和第二刚性梁之间的夹角会改变。弹性梁2是指具有弹性的梁，弹性梁2受力时会产生形变，由于弹性梁2位于相邻两个刚性梁1之间，

也就是说，弹性梁2的一部分(即第一弹性梁段)位于第一刚性梁上，弹性梁2的另一部分(即第二弹性梁段)位于第二刚性梁上，当第一刚性梁和第二刚性梁因受力出现角度变化时，弹性梁2会随之变形，第一弹性梁段和第二弹性梁段之间的夹角与第一刚性梁和第二刚性梁之间的夹角一致。又由于分布式光纤3贯穿设置在弹性梁2的光纤孔中，位于第一弹性梁段中的分布式光纤3记为第一分布式光纤段，位于第二弹性梁段中的分布式光纤3记为第二分布式光纤段。因此，第一刚性梁和第二刚性梁之间出现夹角时，第一分布式光纤段和第二分布式光纤段之间也会出现夹角，且第一分布式光纤段和第二分布式光纤段之间的夹角与第一刚性梁和第二刚性梁之间的夹角一致。

a.弹性梁2内分布式光纤3的波长变化率与弹性梁2线应变的关系推导

弹性梁2在仅受到外力偶发生变形时，横截面在平面内满足平面假设，沿纵轴方向，满足中性层假设。弹性梁2内分布式光纤3的布置如图2、图3所示，故弹性梁2的微分梁的初始长度可表示为：

dx＝ρ·dθ (1)

其中，设弹性梁2弯曲时中性层的曲率半径为ρ，微分弹性梁2左右两截面的相对转角为dθ，因中性层长度不变，故有：

其中，Δl是分布式光纤3的中心轴长度变化，l是分布式光纤的中心轴初始长度，分布式光纤有至少两个，分别为第一光纤和第二光纤，假设第一光纤距离中性层的距离为y1，第二光纤距离中性层的距离为y2，则：

其中，ε(S₁)是第一光纤的应变，ε(S₂)是第二光纤的应变，由于分布式光纤2的对称布置起到温度补偿的作用，故反射中心波长偏移量为：

ΔλS＝λS(1-P_e)ε (5)

其中，Δλ_B是分布式光纤3的波长变化量，λ_B是分布式光纤3的初始波长，因第一光纤和第二光纤采取对称布置方式，所以y₁＝-y₂，即ε(S₁)＝ε(S₂)：将公式(3)、(4)、(5)整合得：

其中，

为中心波长相对漂移量。

根据上述推动到过程可得：第一光纤、第二光纤二者相对中心波长漂移量的差值与分布式光纤3产生的线应变是线性关系。

b.弹性梁2的相对转角与分布式光纤3的线应变的关系推导

以单根弹性梁2作为研究对象，去除一端支座，添加所去除支座的反力，又因对称设计可知剪力Fs＝0，因此，两端固定的弹性梁2可变为图4所示的纯弯梁，由纯弯梁的应力与应变关系得：

ε＝k·y (10)

其中，M_Z是纯弯梁的弯矩，E和I_Z分别是传感梁的弹性模量和初始力矩，因分布式光纤3在弹性梁2内位置固定，所以y为定值，又因中心波长相对漂移量与ε成线性关系，可得，弹性梁2截面曲率与中心波长相对漂移量成线性关系。

设挠曲线为y＝f(x)，由曲率的微分计算公式得：

假设将弹性梁2分为若干个小段，相邻两个小段之间的相对转角较小，因此，弹性梁2的形变量可近似看作是小变形量，即yⁿ极小，公式(11)可视作k＝-yⁿ(x)。

弹性梁2的转角方程如下：

其中，l为刚性梁1纵向长度，由边界条件x＝0，θ(x)＝0，可得c＝0，θ(l)＝kl。

根据上述推导过程可得，弹性梁2的截面曲率与弹性梁2的相对转角成线性关系，结合推导过程a所得，可知，中心波长相对漂移量与弹性梁2的相对转角成线性关系。

c.弹性梁2的相对转角与路基沉降量之间的关系推导

由推导过程b可知，弹性梁2的相对转角与分布式光纤3的中心波长漂移量呈线性关系。

图5为埋入土体的沉降传感器的模拟形变情况，其中dx为一个测量单元内水平微段的长度，dy为该微段的沉降量，dθ为该微段的倾角增量。

根据图6、图7的物理量之间的几何关系可得：

其中，ΔL是分布式测点的间距，也就是相邻两个弹性梁2之间的间距，D是布置在弹性梁2内第一光纤和第二光纤的垂直距离。ε_ai和ε_bi分别是第i个分布式测量单元(一个弹性梁2作为一个分布式测量单元)内，第一光纤和第二光纤变形的平均拉、压应变，相对转角取上部受拉下部受压为正，反之为负。

y_i＝ΔLtan(θ_i+B_i)+C_i (14)

(14)式中B和C是计算第i个分布式测量单元变形情况的边界条件，B是上一个单元的角度，C是沉降量初始值，它们的取值取决于上一个单元(即第i-1个分布式测量单元)的沉降量和倾角叠加量。根据第i-1个分布式测量单元的形变情况，可以得到B_x和C_i的计算公式如下：

B_i＝α_i-1 C_i＝y_i-1 (15)

由此可得：

y_i＝ΔL tan(θ_i+α_i-1)+y_i-1(i＝2,3,4,5,6,…,n) (16)

重复上述计算，向第i-1个分布式测量单元推导，得：

y_i-1＝ΔL tan(θ_i-1+α_i-2)+y_i-2(i＝3,4,5,6,…,n) (17)

向第i-2个分布式测量单元推导，得：

y_i-2＝ΔL tan(θ_i-2+α_i-3)+y_i-3(i＝4,5,6,…,n) (18)

向第i-3个分布式测量单元推导，得：

y_i-3＝ΔLtan(θ_i-3+α_i-4)+y_i-4(i＝5,6,…,n) (19)

……

其中：

依次类推：

α₃＝θ₁+θ₂+θ₃

α₂＝θ₁+θ₂

α₁＝θ₁

其中θ_i为传感器监测点的相对转角，α_n为第n个分布式测量单元的水平绝对转角。因实际监测时，远处基准点的测量单元不发生转角也产生沉降，因此第1个测量点的沉降量公式可写为：

y₁＝ΔL tanθ₁cos(α-a₁) (20)

α为传感器所在柔性管道与地面的夹角，将式(19)依次递加，得到第i个监测点的沉降量为

y_i＝ΔL[tanθ_icos(α-a_i)+tanθ_i-1cos(α-a_i-1)+......+tanα₁cos(α-a₁)] (21)

当i取n时，上式可被简化为：

式(22)为推导监测点沉降量所得结果计算公式。使用式(22)可将所有测点中沉降传感器的相对转角转换为该测点测得的沉降量，得到设置有沉降传感器的任意一测点的沉降量后，通过预设的监测点间距，可计算得到该路基监测区段内，沉降量随监测点位置变化的连续沉降量变化情况。

根据上述描述的推导过程与原理，使用柔性物质将分布式光纤3固定，然后将所需测量产生的压力传递至柔性物质，令柔性物质发生形变，从而导致分布式光纤3发生形变，导致分布式光纤3的中心波长发生变化，然后通过分布式光纤3的中心波长计算出传感器形成的应力或应变，从而获得所需的测量数值。具体地，该原理可用于测量土压力与水压力。

1.土压力传感器

采用FBG传感器(光纤光栅传感器)测量土压力原理及公式推导，具体如下。

根据广义胡克定律可以得到以下应力应变关系，得出具有9个独立弹性常数C_ij的刚度矩阵：

式中σ_ij和ε_ij分别是三个方向应力分量和应变分量。在应变不垂直于FBG传感器的情况下，可以根据一般形式的胡克定律求出应力/应变，考虑到弹性常数E和泊松比υ，上述关系式可转变为以下关系式：

对于承受垂直荷载的土压力传感器6，σ₂₂＝σ₃₃＝0且ε₂₂＝ε₃₃，该式可简写为：

式(25)中，E_i表示三维打印材料在方向i(i＝1,2,3)上的杨氏模量，例如，σ₁＝E₁ε₁表示单向拉伸或压缩下，在1方向的应力分量。υ、i、j表示泊松比，表示横向应变与纵向应变的比值。式(25)可以被分解为以下三个关系式：

嵌入三维打印材料内部的FBG传感器受到垂直压力变化的影响，可以通过FBG传感器的波长变化来定量反映。如果FBG传感器嵌入三维打印材料中，FBG传感器在垂直压力σ₁₁作用下的波长变化：

式(27)进一步变化，可以得到与FBG传感器的温度和波长变化相关的垂直压力变化表达式：

式(28)是通过FBG传感器的波长变化计算封装有FBG传感器的土压力传感器6上方的垂直压力理论公式。

式(27)和式(28)均可表明通过FBG传感器的波长变化Δλ可计算得出土压力传感器6上方的垂直压力Δσ₁₁。

如图8所示，土压力传感器6包括TPU盒61与光纤光栅62，采用三维打印技术将光纤光栅62固定在TPU盒61内，光纤光栅62经TPU盒61穿过。土体对TPU盒61的压力传递至光纤光栅62，由于TPU盒61的刚度较低，在很小的土体压力下能够发生形变，从而导致光纤光栅62发生形变，影响光纤光栅62的中心波长，从而可计算出垂直于土压力盒上表面的压力大小。

该土压力盒由于采用材料较为柔软的TPU材料，稳定性与耐磨性较高，能够有效降低土压力盒的受损率，形变后恢复能力较高，相对于刚度较大的土压力盒，更能够准确地监测土体压力，并能够重复使用，降低材料损耗，提高经济效益。

2.渗透水压力传感器

采用FBG传感器测量孔隙水压力原理及公式推导，具体如下。

在一种具体实施例中，如图9所示，将光纤光栅74封装于底部开孔的不锈钢圆柱体71内，不锈钢圆柱体71内通过灌注硅橡胶聚合物72固定光纤光栅74。不锈钢圆柱底部是透水石75。当渗透水压力传感器7置于存在孔隙水压力的介质中时，孔隙水会透过传感器底部的透水石75进入到不锈钢圆柱体71底部的压力腔76，压力腔76内的不锈钢膜片73受到水压力的作用引起硅橡胶聚合物72压缩，从而产生轴向应力，令光纤光栅74产生轴向应变。该轴向应变可以表示为

(29)式中的A为圆盘的面积，a为光纤光栅74的横截面积，υ为聚合物的泊松比，L_FBG为光纤光栅74的长度，L_P为硅橡胶聚合物72的轴向长度，E_FBG和E_polymer分别代表光纤光栅74和硅橡胶聚合物72的弹性模量，P为外界压力。

渗透压力与光纤光栅74反射波长λ_B变化关系式为

令

对式(30)简化后得:

θλ_B＝k_pPλ_B (31)

(31)式中k_P为渗透水压力传感器7的压力系数。

由于本发明相邻两个刚性梁1之间铰接，当出现沉降时，相邻两个刚性梁1发生转动，如图10所示，在不同的土层8中，相邻两个刚性梁1之间的弹性梁2发生形变，刚性梁2内的分布式光纤3也发生形变，通过测量分布式光纤3的中心波长可以得到沉降量，由于采用刚性梁1和弹性梁2可以较好保护分布式光纤3，从而提高了分布式沉降传感器的存活率。

如图1、图2所示，刚性梁1采用三维打印形成，以封装分布式光纤3。具体地，采用增材制造打印技术打印，增材制造打印技术能精准打印零部件，减少人工打磨，与此同时，增材制造打印材料可选用重量较轻、质量好的材料，以做出更为轻便的沉降式传感器，且采用增材制造打印技术能够一次性将分布式沉降传感器封装成型，保证了传感器的整体性。增材制造打印材料使用的是光敏树脂，该材料不仅成型精度高，而且刚度很大，同时具备良好的强度，非常适合作为传感器设计的刚体封装部分材料，对内部分布式光纤3起到保护作用。

如图1和图2所示，刚性梁1上设置有安装槽11，弹性梁2位于安装槽11内，将分布式光纤3安装在安装槽11内，分布式光纤3的一端位于第一刚性梁的安装槽11内，另一端位于第二刚性梁的安装槽11内。相邻两个刚性梁1上的安装槽11对称分布。

刚性梁1上设置有穿线孔12，穿线孔12可供分布式光纤3穿过，具体地，刚性梁1上设置有穿线孔12，穿线孔12连通安装槽11和刚性梁1的外侧，安装在安装槽11内的分布式光纤3可以从穿线孔12中穿出至刚性梁1的外部。

分布式光纤3外套设有保护管，具体地，分布式光纤3位于弹性梁2外的部分套设有保护管，通过保护管对分布式光纤3进行防护。

刚性梁1通过铰接件4与相邻的刚性梁1铰接，铰接件4包括：

第一铰接板42，第一铰接板42设置在刚性梁上，第一铰接板42设置有第一铰接孔；

第二铰接板43，第二铰接板43设置在相邻的刚性梁上，第二铰接板43设置有第二铰接孔；

转动轴41，转动轴41依次穿过第一铰接孔与第二铰接孔并固定。

具体地，第一铰接板42、第二铰接板43及转动轴41的数量均为二，第一铰接板42和第二铰接板43错位设置，转动轴41穿过第一铰接孔和第二铰接孔并固定，使得转动轴41能够在第一铰接孔和第二铰接孔内转动，实现第一铰接板42和第二铰接板43的铰接，从而实现相邻两个刚性梁1的铰接。

在某一具体实施例中，分布式沉降传感器制备步骤包括：

步骤C1.准备分布式光纤3，采用三维打印技术在分布式光纤3上制备弹性梁2。具体地，将分布式光纤3封装在弹性梁2中，并使得分布式光纤3的两端均裸露在弹性梁2外侧。

步骤C1包括：

步骤D1.对分布式光纤3进行预压处理。

步骤D2.在分布式光纤3上采用三维打印出弹性梁2。具体地，在将分布式光纤3封装前，对分布式光纤3进行预压处理，从而避免冷却收缩造成的分布式光纤3受压，继而灵敏度降低的问题。对分布式光纤3进行预压处理后进行三维打印，在分布式光纤3外打印出弹性梁2，使弹性梁2包裹在分布式光纤3外。对于分布式光纤3裸露在弹性梁2外的部分可以套设保护管，通过保护管和弹性梁2一起保护分布式光纤3。

步骤C2.制备至少两个刚性梁1。具体地，使用光敏树脂通过三维打印技术打印多个刚性梁1。

步骤C3.先将各刚性梁1连接，然后连接刚性梁1和弹性梁2，得到分布式沉降传感器。

具体地，使用铰接件4首尾连接各刚性梁1，将弹性梁2和刚性梁1连接，使得弹性梁2位于相邻两个刚性梁1之间，可以将弹性梁2采用胶粘固定在刚性梁1的安装槽11内，然后将分布式光纤3从穿线孔12中穿出，从而得到分布式沉降传感器。

在某一具体实施例中，分布式沉降传感器的监测步骤包括：

步骤E1.对分布式沉降传感器进行标定，以确定分布式光纤3的中心波长与沉降量的关系。通过对分布式沉降传感器进行标定确定分布式光纤3的中心波长和沉降量的关系，那么经测量获得分布式光纤3的中心波长，就可以得到沉降量。

具体地，步骤E1包括：

步骤F1.对分布式沉降传感器进行标定，以确定

(1)分布式光纤3的相对转角与中心波长之间的线性关系，

(2)分布式光纤3的相对转角与沉降量的关系。

步骤F2.根据步骤F1得出的(1)分布式光纤3的相对转角与中心波长之间的线性关系与(2)分布式光纤3的相对转角与沉降量的关系，确定分布式光纤3的中心波长和沉降量的关系。

具体地，由于刚性梁1、弹性梁2的转角方程满足如下：θ(l)＝kl。因此，刚性梁1、弹性梁2的截面曲率与相对转角成线性关系，即中心波长相对漂移量与相对转角成线性关系，也就是说，分布式光纤3的中心波长与相对转角成线性关系，通过标定试验可以确定分布式光纤3的中心波长与相对转角满足线性关系的系数。

又由于相对转角与沉降量满足

其中

因此，可以建立分布式光纤3的中心波长与沉降量的关系。

通过标定试验得出(1)分布式光纤3的相对转角与中心波长之间的线性关系与(2)分布式光纤3的相对转角与沉降量的关系，对上述得到的数据关系进行统计分析，并记录下分布式光纤中心波长的变化，根据分布式光纤中心波长的变化计算得分布式光纤的相对转角，并计算得出标定沉降量；

步骤F3.将完成标定试验的分布式沉降传感器布置在已设定的监测点，采集分布式光纤3的中心波长。

步骤F4.结合步骤F2得出的分布式光纤3的中心波长与分布式光纤3的相对转角的关系，确定监测点的沉降量。

通过光纤解调仪5测量监测点的中心波长，并利用分布式光纤3的中心波长与沉降量的关系，可以得到该监测点的沉降量。得到各监测点的沉降量后，通过相邻两个监测点之间的间距，可计算得到该分布式监测区段内沉降量随监测点位置变化的连续沉降量变化情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，包括分布式沉降传感器，所述分布式沉降传感器包括多个刚性梁，多个所述刚性梁首尾相连，每个所述刚性梁的一侧均连接弹性梁，所述弹性梁内均封装两根分布式光纤，所述分布式光纤两端均裸露在所述弹性梁的外侧。

2.根据权利要求1中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，所述刚性梁的上侧对称设有安装槽，所述弹性梁设置在相邻两个所述刚性梁之间，所述弹性梁两端分别设置在相邻两个所述刚性梁的两个安装槽内。

3.根据权利要求2中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，所述刚性梁的中部设有穿线孔，所述穿线孔与所述安装槽连通，裸露在所述弹性梁外侧的所述分布式光纤自所述穿线孔内穿出。

4.根据权利要求1中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，所述分布式沉降传感器的制备步骤包括：

步骤A1.采用三维打印技术将所述分布式光纤封装在所述弹性梁中，并使得所述分布式光纤的两端均裸露在所述弹性梁外侧；

步骤A2.采用三维打印技术打印多个所述刚性梁，并将所述刚性梁通过铰接件首尾连接；

步骤A3.将所述弹性梁经胶粘固定在相邻两个所述刚性梁的安装槽内；

步骤A4.将裸露在所述弹性梁外侧的所述分布式光纤自所述刚性梁的穿线孔内穿出。

5.根据权利要求4中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，在步骤A2中，封装所述分布式光纤前先对所述分布式光纤进行预压处理。

6.根据权利要求1中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，所述分布式沉降传感器的监测方法为：对所述分布式沉降传感器做标定试验，通过标定试验得出所述分布式光纤中心波长与沉降量的关系，将完成标定试验的所述分布式沉降传感器布置在已设定的监测点，通过采集所述分布式光纤的中心波长，根据所述分布式光纤中心波长与沉降量的关系，确定所述监测点的沉降量。

7.根据权利要求6中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，标定试验过程中，对所述分布式沉降传感器进行标定，确定

（1）所述分布式沉降传感器的中心波长与相对转角的关系；

（2）所述分布式沉降传感器的相对转角与沉降量的关系；

以确定所述分布式沉降传感器的中心波长与沉降量的关系。

8.根据权利要求1中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，包括土压力传感器，所述土压力传感器包括TBU盒与设置在所述TBU盒内的光纤光栅。

9.根据权利要求1中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，包括水压力传感器，所述水压力传感器包括不锈钢圆柱，所述不锈钢圆柱内灌注硅橡胶聚合物固定光纤光栅，所述不锈钢圆柱顶部设置透水石。

10.根据权利要求9中所述的一种多功能地下传感监测系统，其特征在于，所述水压力传感器置于存在孔隙水压力的介质中时，孔隙水会透过所述水压力传感器顶部的所述透水石进入所述水压力传感器内部的压力腔，所述压力腔内的不锈钢膜片受到水压力的作用引起所述硅橡胶聚合物压缩，使所述硅橡胶聚合物产生轴向应力，使所述光纤光栅产生轴向应变。

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