CN113532379A - 一种建筑工程沉降监测装置、监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑工程沉降监测装置、监测系统及方法，包括壳体，所述壳体内设有液体容器，液体容器与伸出至壳体外部的进液管和出液管连通，所述液体容器底部固定有压力杆，压力杆与悬臂梁的一端固定，悬臂梁的另一端与壳体固定，悬臂梁安装有光纤光栅传感器，本发明的监测装置测量结果准确。

Description

一种建筑工程沉降监测装置、监测系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑工程沉降监测技术领域，具体涉及一种建筑工程沉降监测装置、监控系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在建筑工程的施工期及运营期，由于长期扰动影响存在各种因素导致工程结构的破坏从而造成人员伤亡，国民经济财产损失。其中地基沉降是最为严重的破坏因素之一，为了确保建筑工程的施工期及运营期安全，必须对工程结构进行长期监测，但传统监测往往采用电信号传感器，发明人发现，在野外或环境复杂的地区电信号很容易受到干扰，导致测量精准性大打折扣。不仅于此，当工程现场出现无人员看守状况时，将无法获取建筑工程安全状态。

目前存在一种利用与液面接触的浮球高度变化来反应液面高度变化，进而对沉降进行监测的装置，但发明人发现，由于温度、气压等因素会造成浮球所受浮力发生变化，测量误差较大。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种建筑工程沉降监测装置，测量误差小，保证测量精度，能够准确的获取建筑工程的安全状态。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种建筑工程沉降监测装置，包括壳体，所述壳体内设有液体容器，液体容器与伸出至壳体外部的进液管和出液管连通，所述液体容器底部固定有压力杆，压力杆与悬臂梁的一端固定，悬臂梁的另一端与壳体固定，悬臂梁安装有光纤光栅传感器。

可选的，所述光纤光栅传感器包括光纤，光纤上串联设置有第一光栅和第二光栅，光纤分布在悬臂梁的顶面和底面，第一光栅设置在悬臂梁顶面，第二光栅设置在悬臂梁底面，且第一光栅和第二光栅距离悬臂梁同侧端部的距离相等。

可选的，所述外壳相对的侧壁上设置有限位块，所述限位块通过与液体容器相匹配的弧面与液体容器接触，能够限制液体容器在水平方向的运动。

可选的，所述悬臂梁包括固定部和受力部，固定部在竖直方向的尺寸大于受力部沿竖直方向的尺寸，所述受力部一端与固定部连接，另一端与压力杆固定，所述固定部通过固定件固定在外壳的壳壁上。

可选的，所述悬臂梁与压力杆插接固定连接。

可选的，所述液体容器的顶部开设有出气孔。

可选的，所述外壳包括底盖和上壳，上壳扣接在底座上，并且上壳与底座的接触面设置有密封层。

第二方面，本发明的实施例提供了一种建筑工程沉降监测系统，包括多个依次串联的第一方面所述的建筑工程沉降监测装置，相邻建筑工程沉降监测装置中，其中一个建筑工程沉降监测装置的出液管与另一个建筑工程沉降监测装置的进液管连接，多个建筑工程沉降监测装置的光纤光栅传感器串联后通过解调仪与监控终端连接，还包括基准液体库，基准液体库的出液管与首端的建筑工程沉降监测装置的进液管连接，末端的建筑工程沉降监测装置的出液管利用封堵件封堵。

可选的，多个光纤光栅传感器的光纤利用传输光缆串联，且光纤伸出至外壳外部的用于连接传输光缆的部分套有保护管。

第三方面，本发明的实施例提供了一种建筑工程沉降监测系统的方法，建筑工程沉降监测装置随土体沉降后，基准液体库内的液体流入产生沉降的建筑工程沉降监测装置的液体容器中，液体容器对悬臂梁的压力发生变化，悬臂梁产生变形，根据光纤光栅传感器检测得到的悬臂梁的变形量得到建筑工程沉降监测装置的沉降量。

本发明的有益效果：

1.本发明的建筑工程沉降监测装置，液体容器底部的压力杆与悬臂梁连接，悬臂梁上设有光纤光栅传感器，通过液体容器对悬臂梁压力的变化使得悬臂梁产生变形，进而通过光纤光栅传感器检测得到的变形量得到土体的沉降量，通过压力的变化得到沉降量，与传统的通过浮力相比，避免了温度、气压等因素对浮力造成的影响，适用于各种复杂环境的工程施工期及运营期，测量结果更加精确。

2.本发明的建筑工程沉降监测装置，光纤光栅传感器设有第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅分别位于悬臂梁的顶面和底面，且距离悬臂梁的同侧端部距离相同，能够有效消除温度对光纤光栅传感器的影响，使得测量结果更加精确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构主视图；

图2为本发明实施例1整体结构俯视图；

图3为本发明实施例2整体结构示意图；

其中，1.底盖，2.上壳，3.液体容器，4.密封层，5.限位块，6.出气孔，7.压力杆，8.进液管，9.出液管，10.第一通孔，11.第二通孔，12.悬臂梁，13.固定件，14.光纤，15.第一光栅，16.第二光栅，17.出纤孔，18.连通管，19.传输光缆，20.解调仪，21.监控终端。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种建筑工程沉降监测装置，如图1-图2所示，包括壳体，所述壳体内部具有放置其他元件的空腔，本实施例中，所述壳体采用圆柱型壳体或立方体壳体，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

为了方便壳体内其他元气件的安装，所述壳体由底盖1和上壳2拼接构成，所述底盖顶部设有卡槽，所述上壳底部设有卡块，上壳底部的卡块插入底盖顶部的卡槽中，实现了底杆和上壳的插接固定。

在其他一些实施例方式中，所述底盖和上壳均设置有法兰盘，底盖和上壳通过法兰盘和螺栓固定连接，可以理解的是，本领域技术人员也可采用其他可拆卸连接方式将上壳和底盖进行固定。

为了保证壳体的密封性，所述卡块与卡槽的接触面设置有密封层4，本实施例中，所述密封层采用密封胶，在其他一些实施方式中，密封层也可采用橡胶密封圈等。

所述壳体内部设有液体容器3，为了方便限制液体容器的水平运动，所述液体容器采用圆柱型结构，与之相匹配的，所述壳体相对的两个壳壁上固定有限位块5，所述限位块的一侧端面为平面，固定在壳体的壳壁内侧面，本实施例中，所述限位块通过DG4胶体固定在上壳的壳壁内侧面，所述限位块的另一侧端面为与液体容器相匹配的弧形面，限位块通过弧形面与液体容器接触，液体容器与两个限位块接触，且两个限位块位于液体容器水平截面同一条直径线的两端，能够限制液体容器的水平运动，防止液体容器因内部液体过多导致其水平方向晃动影响测量精度。

所述液体容器的顶部壳壁的中心位置开设有出气孔6，优选的，所述出气孔的直径为2mm，能够保证液体容器内部压强的一致性。

所述液体容器的底部壳壁中心位置开设有安装孔，所述安装孔内安装固定有压力杆7，压力杆的轴线竖向设置，为了保证压力杆的安装强度，所述液体容器的底部壳壁的厚度大于其余部分壳壁的厚度，使得压力杆有足够的插入深度。

所述液体容器的底部还设置有进液管8和出液管9，进液管和出液管与液体容器内部空间相连通，所述进液管和出液管与液体容器的连接位置分别设置在液体容器水平截面同一条直径线的两端，本实施例中，所述进液管和出液管均采用铝合金薄管，液体能够通过进液管进入液体容器，能够通过出液管流出液体容器，从而使得液体容器内液体的液位与基准液体库的液面保持一致。

所述进液管和出液管向下延伸，并分别通过底盖上开设的第一通孔10和第二通孔11伸出至壳体外部，所述第一通孔的直径大于进液管的直径，第二通孔的直径大于出液管的直径，进液管和出液管的管壁与通孔的孔壁无摩擦。

所述上壳的壳壁上通过固定件固定有悬臂梁12，所述悬臂梁的一端与上壳的壳壁内侧面固定，另一端与压力杆固定。

本实施例中，为了方便悬臂梁的安装，所述压力杆设置有插孔，悬臂梁插入插孔中，与压力杆实现插接固定，所述固定件13采用固定螺栓，所述固定螺栓穿过上壳的壳壁后与悬臂梁螺纹连接，固定螺栓的螺栓帽压紧在上壳壳壁的外侧面。

为了保证悬臂梁的安装强度，所述悬臂梁包括固定部和受力部，所述固定部的沿竖直方向的尺寸大于受力部沿竖向方向的尺寸，即固定部的厚度大于受力部的厚度，使得固定部能够通过足够数量的固定件与上壳固定连接。

所述悬臂梁采用等强度梁，等强度梁为各横截面上的最大正应力都等于许用应力的梁，液体容器内流入液体后，产生的压力能够通过压力杆精准的传到悬臂梁上，从而带动悬臂梁产生变形。

所述悬臂梁上安装有光纤光栅传感器即FBG，用于检测悬臂梁的应变，采用了光纤光栅监测具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、耐高压的特点。光纤光栅主要依靠光波传输信息，不受强电磁和潮湿环境的影响，具有良好的耐久性和保密性，并能承受恶劣环境的影响，适合与大规模推广应用。

所述光纤光栅传感器由光纤14和第一光栅15、第二光栅16组成，第一光栅和第二光栅通过光纤串联连接，其中悬臂梁的顶面和底面均分布有光纤，第一光栅设置在悬臂梁的顶面并利用胶体进行封装、第二光栅设置在悬臂梁的底面并利用胶体进行封装，且第一光栅和第二光栅距离悬臂梁的同侧端部距离相等，可以实现两个光栅随着等强度梁变形波长改变，消除温度对光栅测量精度影响。

利用FBG消除温度影响的计算方法如下：

所述的两个具有相同基本参数光纤光栅分别感受拉应变和压应变，设两个FBG的中心波长分别为λA1和λA2,则两个FBG的中心波长变化如公式(1)和(2)所示：

Δλ_A1＝α_εΔε₁+α_TΔT₁ (1)

Δλ_A2＝α_εΔε₂+α_TΔT₂ (2)

式中：αε——光纤光栅应变的灵敏度系数；

αT——光纤光栅温度的灵敏度系数。

进一步地，当等强度悬臂梁受力变形时，封装固定在梁上下表面的FBG也会发生相应的应变变化，其中一个FBG检测拉应变，另一个FBG检测压应变，因此两个FBG应变的绝对值大小相等，方向相反，即Δε1＝-Δε2。

进一步地，两者所处的温度场环境相同，即ΔT1＝ΔT2，所以温度对两支光纤光栅的影响一致，通过(3)可以实现消除温度对应变测量的干扰。

Δλ_A1-Δλ_A2＝2α_εΔε₁ (3)

所述上壳的壳壁上还设置有出纤孔17，用于导出光纤。

本实施例的建筑工程沉降监测装置的制作方法如下：

将光栅分别采用胶体粘贴在悬臂梁的顶面和地膜，将悬臂梁一端插入压力杆的底部，光纤光栅传感器的其余部分尾纤从出纤孔导出并与传输光缆连接，尾纤套入保护管内部，防止被破坏。将进液管和出液管分别连接在液体容器上，压力杆顶部插入液体容器底部的安装孔内，同时将悬臂梁采用固定件固定在上壳壳壁的内侧面，最后将上壳和底盖进行插接连接并用密封胶进行密封。

本实施例的监测装置安装方法简单，使用材料少。

实施例2：

本实施例公开了一种建筑工程沉降监测系统，如图3所示，包括多个串联设置的实施例1所述的建筑工程沉降监测装置，多个建筑工程沉降监测装置的串联方式为：位于前方的建筑工程沉降监测装置的出液管通过连通管18与位于后方的建筑工程沉降监测装置的进液管连接，相邻建筑工程沉降监测装置的光学光栅传感器的光纤通过传输光缆19进行连接，且光纤伸出至壳体外部的部分套有保护管，优选的，所述保护管采用PVC管。所述光纤与传输光缆组成的光路连接至解调仪20，所述解调仪与监控终端21连接，所述传输光缆用于连接FBG和解调仪，进行数据的传输。

所述监测系统还包括基准液体库22，用于提供液体的基准液面。基准液体库为箱体结构，内部能够盛装设定量的液体，位于首端的建筑工程沉降监测装置的进液管通过连通管与基准液体库的出液管连接，位于末端的建筑工程沉降监测装置的出液管利用封堵件进行封堵，所述封堵件采用橡胶封堵塞或其他封堵元件。

本实施例中，所述解调仪通过无线传输模块与监控终端连接，能够实现远距离、自动化监测。解调仪解调通道为多通道，解调速率大于4kHz，内置2.4GHz无线传输模块，测量精度高，满足对波长信号的测量要求。可实现将解调后的多元数据远程传输监控终端。

实施例3：

本实施例公开了一种实施例2所述的建筑工程沉降监测系统的工作方法：预先将基准液体库及多个串联好的建筑工程沉降监测装置埋入土体中，当土体产生沉降时，沉降部分对应的建筑工程沉降监测装置随土体产生沉降，由于多个建筑工程沉降监测装置通过连通管串联，因此根据连通器原理，液体容器内液位保持一致，因此产生沉降的建筑工程沉降监测装置的液体容器内有液体流入，因此液体容器通过压力杆对悬臂梁的压力产生变化，悬臂梁产生变形，光纤光栅传感器检测到变形，并将信号通过解调仪传输给监控终端，监控终端的控制系统内部根据预先设定的算法将变形量转换为土体的沉降量，进而检测到土体的沉降量。

沉降量的计算方法为：

监测装置的液体容器内部液体变动带动悬臂梁变化从而带动光栅的波长数值改变，解调仪由传输光缆获取波长数据并进行解调，得出监测装置内液体容器内液体液位H1，与基准液体库初始液位H相减，即为该监测点的沉降变化值ΔH。

ΔH＝H-H1

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设有液体容器，液体容器与伸出至壳体外部的进液管和出液管连通，所述液体容器底部固定有压力杆，压力杆与悬臂梁的一端固定，悬臂梁的另一端与壳体固定，悬臂梁安装有光纤光栅传感器。

2.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括光纤，光纤上串联设置有第一光栅和第二光栅，光纤分布在悬臂梁的顶面和底面，第一光栅设置在悬臂梁顶面，第二光栅设置在悬臂梁底面，且第一光栅和第二光栅距离悬臂梁同侧端部的距离相等。

3.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述外壳相对的侧壁上设置有限位块，所述限位块通过与液体容器相匹配的弧面与液体容器接触，能够限制液体容器在水平方向的运动。

4.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述悬臂梁包括固定部和受力部，固定部在竖直方向的尺寸大于受力部沿竖直方向的尺寸，所述受力部一端与固定部连接，另一端与压力杆固定，所述固定部通过固定件固定在外壳的壳壁上。

5.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述悬臂梁与压力杆插接固定连接。

6.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述液体容器的顶部开设有出气孔。

7.如权利要求1所述的一种建筑工程沉降监测装置，其特征在于，所述外壳包括底盖和上壳，上壳扣接在底座上，并且上壳与底座的接触面设置有密封层。

8.一种建筑工程沉降监测系统，其特征在于，包括多个依次串联的权利要求1-7任一项所述的建筑工程沉降监测装置，相邻建筑工程沉降监测装置中，其中一个建筑工程沉降监测装置的出液管与另一个建筑工程沉降监测装置的进液管连接，多个建筑工程沉降监测装置的光纤光栅传感器串联后通过解调仪与监控终端连接，还包括基准液体库，基准液体库的出液管与首端的建筑工程沉降监测装置的进液管连接，末端的建筑工程沉降监测装置的出液管利用封堵件封堵。

9.如权利要求8所述的一种建筑工程沉降监测系统，其特征在于，多个光纤光栅传感器的光纤利用传输光缆串联，且光纤伸出至外壳外部的用于连接传输光缆的部分套有保护管。

10.一种权利要求8所述的建筑工程沉降监测系统的方法，其特征在于，建筑工程沉降监测装置随土体沉降后，基准液体库内的液体流入产生沉降的建筑工程沉降监测装置的液体容器中，液体容器对悬臂梁的压力发生变化，悬臂梁产生变形，根据光纤光栅传感器检测得到的悬臂梁的变形量得到建筑工程沉降监测装置的沉降量。

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