CN113970318A - 一种基于光纤光栅的测斜传感器及倾角监测装置 - Google Patents

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郭琪
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Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅的测斜传感器及倾角监测装置，测斜传感器包括壳体，在壳体上设置有腔室，在腔室内设置有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的光纤从壳体顶壁伸出并用于外接检测设备，光纤光栅传感器的光纤下端连接相互交叉的多根横杆，在横杆的交点处固定连接有摆重组件，在腔室内还设置有固定杆，固定杆上端固定连接壳体、下端铰接连接横杆；倾角监测装置采用了式(Ⅰ)为计算模型，并输出测斜传感器的倾角。本发明可实现自动实时性测量，测量过程省时省力，避免了人为操作误差的影响；完全不会引起光栅啁啾现象，使得测量更精准，且能够实现多维测量；结构简单，降低了机械摩阻，稳定性更好。

Description

一种基于光纤光栅的测斜传感器及倾角监测装置
技术领域
本发明属于岩土斜测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的测斜传感器及倾角监测装置。
背景技术
传统的岩土测斜方法是先在被测岩土体中埋入测斜管，再放入测斜仪，周期性的获取边坡的变形数据。但这种方法费时费力，人为操作误差大，不具备实时监测的能力，且只能监测固定的两个方向。
近年来发展迅速的光纤光栅传感技术具有较高的灵敏度、抗电磁干扰和自动实时性强等优点，一些学者也将光纤光栅传感技术运用到了岩土测斜中，其做法通常将光纤光栅粘贴在测斜管上测量每个测点应变值，再推算斜管位移。然而，该方法仍然存在一些缺陷：(1)由于光栅粘贴在测斜管上，受力弯曲时会引起光栅啁啾现象(光栅使用胶水和测斜管粘贴在一块，理想情况下测斜管发生变形，引起胶水变形，进而光栅也产生相同的变形，但采用胶水粘贴后，胶水可能变形不均匀，造成光栅受力不均匀，进而造成光栅应变不均匀，故采用解调仪解调出来的光栅中心波长会发生畸形变化)，影响测斜结果；(2)无法实现多维测量；(3)安装布设过程复杂，费时费力，按10米测斜管，光栅传感器按1米一个对称粘贴，共20个粘贴点，需要2个人布设2天时间才能完成。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于光纤光栅的测斜传感器及倾角监测装置，至少用于解决现有测斜方法容易引起光栅啁啾现象和无法实现多维测量的技术问题，并提高现有测斜仪器的稳定性、准确性和灵敏度。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
一种基于光纤光栅的测斜传感器，包括壳体，在壳体上设置有腔室，在腔室内设置有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的光纤从壳体顶壁伸出并用于外接检测设备，光纤光栅传感器的光纤下端连接相互交叉的多根横杆，在横杆的交点处固定连接有摆重组件，在腔室内还设置有固定杆，固定杆上端固定连接壳体、下端铰接连接横杆，且当壳体处于倾斜状态时，固定杆跟随壳体倾斜，此时，横杆和摆重组件做适应性倾斜。
作为优选方案，由两根横杆共同构成十字架，以构成二维测斜传感器。
作为另一优选方案，由至少三根横杆共同构成交叉架，以构成多维测斜传感器。
为进一步提高测量结果的准确性，横杆的交点位于壳体轴线上。
为进一步简化测量过程，提高倾角测量效率，一种采用前述测斜传感器的倾角监测装置，其特征在于：所述检测设备包括控制器，控制器内的存储器上存储有可在处理器上运行的程序，处理器执行所述程序时实现以下步骤/功能：
读取光纤光栅解调仪输出的光纤光栅(传感器)二的中心波长变化与光纤光栅(传感器)一的中心波长变化的差值Δλ2-Δλ1；并根据式(Ⅰ)计算并输出测斜传感器的倾角θ；
Figure BDA0003273606170000021
式中，θ表示测斜传感器的倾角，Δλ2-Δλ1表示光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值；lf表示光纤光栅一或光纤光栅二的原长，Kε表示光纤光栅对轴向应变的灵敏系数，a表示横杆长度的一半；E表示光纤光栅的弹性模量，A表示光纤光栅的截面积，mg表示摆重组件的重力，l表示摆重组件的重锤球心到横杆的交点长度。
有益效果：可实现自动实时性测量，测量过程省时省力，避免了人为操作误差的影响；完全不会引起光栅啁啾现象，使得测量更精准，且能够实现多维测量；结构简单，降低了机械摩阻，稳定性更好。
附图说明
图1为实施例1基于光纤光栅的测斜传感器示意图；
图2为实施例1基于光纤光栅的测斜传感器倾角测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
一种基于光纤光栅的测斜传感器，如图1所示，包括呈圆柱形的壳体1，在壳体1上设置有腔室8，在腔室8内设置有光纤光栅传感器(简称FBG)，光纤光栅传感器的光纤2从壳体1顶壁伸出并用于外接检测设备，光纤光栅传感器的光纤2下端连接相互交叉的两根横杆5，由两根横杆5共同构成十字架，以构成二维测斜传感器，具体来说共设有四个规格相同的光纤光栅传感器，分别是连接在其中一根横杆5两端的光纤光栅(传感器)一31(简称FBG1)和光纤光栅(传感器)二32(简称FBG2)，以及连接在另一根横杆两端的光纤光栅(传感器)三(简称FBG3)和光纤光栅(传感器)四(简称FBG4)；横杆5的交点位于壳体1轴线上，在横杆5的交点处固定连接有摆重组件，摆重组件由连接杆6和重锤7组成；在腔室8内还设置有固定杆4，固定杆4上端固定连接壳体1、下端铰接连接横杆5，且当壳体1处于倾斜状态时，固定杆4跟随壳体1倾斜。
其中，检测设备包括控制器，控制器内的存储器上存储有可在处理器上运行的程序，处理器执行所述程序时实现以下步骤/功能：读取光纤光栅解调仪输出的光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值Δλ2-Δλ1；并根据式(Ⅰ)计算并输出测斜传感器的倾角θ。
测量过程中，当倾角传感器产生倾斜，重锤7、连接杆6和十字架也发生倾斜；同时，重锤7的重力作用会使光纤光栅产生拉伸或压缩，光栅受到应力作用其反射中心波长会发生变化，而光栅中心波长变化量与倾斜角度的改变量存在一定的函数关系。因此，通过测量光栅中心波长的漂移量，就可以测得倾斜角度。
下面结合图2以一个方向的倾角测量为例进行解析，为便于理解，图2中省略了一根横杆5和相应的光纤光栅：
当倾角传感器的壳体和固定杆产生倾角θ，由于十字架两端被两根光纤光栅固定，假设光纤光栅弹性模量无限大，则十字架和连接杆也将产生倾角θ；考虑两端光纤光栅的变形，则十字架、连接杆只会产生倾角θ2(θ2<θ)；在重锤重力作用下，FBG2产生伸长变形，FBG1产生收缩变形，假设因FBG2和FBG1变形造成的十字架和连接杆倾角为θ1，则
θ＝θ1+θ2。……………………………(1)
由于选用同一批次的两根中心波长近似相等，长度相同的FBG分别固定在传感器的对称位置上，当传感器倾斜时，FBG2被拉伸，受拉应变为Δε2，FBG1被压缩，受压应变Δε1，二者应变绝对值大小相等，Δε＝Δε2＝-Δε1，相应的FBG受力改变量ΔF＝ΔF2＝-ΔF1；FBG1和FBG2所受温度改变形同，ΔT＝ΔT1＝ΔT2
传感器产生倾斜后，FBG2发生伸长变形，其应变为：
Figure BDA0003273606170000041
式中Δlf为FBG2产生的拉伸量，lf为FBG2原长；
由几何关系有：
Δlf＝asinθ1……………………………………(3)
由(2)和(3)可得：
Figure BDA0003273606170000042
式中a表示横杆长度的一半；
故，
Figure BDA0003273606170000043
传感器未倾斜前光纤光栅拉力F1＝F2，倾斜后根据O点弯矩为0，可知：
(F2+ΔF2)cosθ1×a-(F1+ΔF1)cosθ1×a＝2ΔFcosθ1×a＝mgsinθ2×l……(6)式(6)可化简为：
Figure BDA0003273606170000044
根据材料力学原理：
ΔF＝EAΔε……………………………………(8)
式(8)中E为FBG弹性模量，A为FBG截面积。
联立(7)和(8)得：
Figure BDA0003273606170000045
将(5)代入(9)可得：
Figure BDA0003273606170000051
将(5)和(10)代入(1)得
Figure BDA0003273606170000052
由光栅光纤的特性知：
Figure BDA0003273606170000053
式中
Figure BDA0003273606170000054
为光纤的热膨胀系数，
Figure BDA0003273606170000055
为光纤的热光系数；
Figure BDA0003273606170000056
为光纤的弹光系数；
当传感器倾斜时，FBG1和FBG2波长变化为：
Figure BDA0003273606170000057
Figure BDA0003273606170000058
由于λ＝λ2＝λ1ΔT＝-ΔT1＝ΔT2，Δε＝Δε2＝-Δε1，可知：
Figure BDA0003273606170000059
Figure BDA00032736061700000510
式(16)减式(15)得：
Figure BDA00032736061700000511
式中Δλ2-Δλ1表示光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值，该差值由本领域技术人员按常规方式通过光纤光栅解调仪进行获得；
令Kε＝(1-Pe)λ，则式(17)可表示为：
Figure BDA0003273606170000061
Kε为光纤光栅对轴向应变的灵敏系数，该灵敏度系数的数值的大小与光纤自身的材料属性有关，是由光纤的有效折射率、弹光系数和泊松比共同决定；所以当光纤的材料确定后，Kε就是一个常数。
将(18)代入(11)得式(Ⅰ)：
Figure BDA0003273606170000062
式中，θ表示测斜传感器的倾角，Δλ2-Δλ1表示光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值；lf表示光纤光栅一或光纤光栅二的原长，Kε表示光纤光栅对轴向应变的灵敏系数，a表示横杆长度的一半；E表示光纤光栅的弹性模量，A表示光纤光栅的截面积，mg表示摆重组件的重力，l表示摆重组件的摆球球心到横杆的交点长度。
关于本方案中的温度补偿，由于选用同一批次的两根中心波长近似相等的FBG分别固定在传感器的对称位置上，两个FBG所受温度相同，根据式(18)可知已通过双光栅结构实现温度自补偿，消除了温度对倾角测量的影响。
该方案在相互垂直的两个方向都布置了对称双光栅结构，可同时对相互垂直的两个方向的倾角进行测量，即实现了二维倾角测量。
本实施例中测斜传感器的使用方法/流程：以岩土测斜为例，首先在岩土体中钻孔，然后将固定有本实施例中测斜传感器的测斜管置入岩土中，然后采用光纤光栅解调仪测量初始时刻各光栅的中心波长，过一段时间再进行测量各光栅的中心波长，然后就可以通过式(Ⅰ)计算(控制器中的计算模型自动计算)此刻岩土体产生的倾斜，如果一根测斜管相隔一定间距上安装多个测斜传感器，就可以得到各深度点的倾角。采用本实施例中的测斜传感器，可实现自动实时性测量岩土变形数据，测量过程省时省力(相比于将光纤光栅粘贴在测斜管上的方式，至少可提高数十倍的测量效率)，避免了人为操作误差的影响；完全不会引起光栅啁啾现象，使得测量更精准，且能够实现多维测量；结构简单，降低了机械摩阻，稳定性更好。
实施例2
一种基于光纤光栅的测斜传感器，参照实施例1，其与实施例1的主要区别在于：由四根横杆5共同构成交叉架，相邻横杆5之间的夹角为45°，以构成多维测斜传感器。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的测斜传感器，包括壳体(1)，在壳体(1)上设置有腔室(8)，在腔室(8)内设置有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器的光纤(2)从壳体(1)顶壁伸出并用于外接检测设备，其特征在于：光纤光栅传感器的光纤(2)下端连接相互交叉的多根横杆(5)，在横杆(5)的交点处固定连接有摆重组件，在腔室(8)内还设置有固定杆(4)，固定杆(4)上端固定连接壳体(1)、下端铰接连接横杆(5)，且当壳体(1)处于倾斜状态时，固定杆(4)跟随壳体(1)倾斜。
2.根据权利要求1所述的测斜传感器，其特征在于：由两根横杆(5)共同构成十字架，以构成二维测斜传感器。
3.根据权利要求1所述的测斜传感器，其特征在于：由至少三根横杆(5)共同构成交叉架，以构成多维测斜传感器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测斜传感器，其特征在于：横杆(5)的交点位于壳体(1)轴线上。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述测斜传感器的倾角监测装置，其特征在于：所述检测设备包括控制器，控制器内的存储器上存储有可在处理器上运行的程序，处理器执行所述程序时实现以下步骤/功能：
读取光纤光栅解调仪输出的光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值Δλ2-Δλ1；并根据式(Ⅰ)计算并输出测斜传感器的倾角θ；
Figure FDA0003273606160000011
式中，θ表示测斜传感器的倾角，Δλ2-Δλ1表示光纤光栅二的中心波长变化与光纤光栅一的中心波长变化的差值；lf表示光纤光栅一或光纤光栅二的原长，Kε表示光纤光栅对轴向应变的灵敏系数，a表示横杆长度的一半；E表示光纤光栅的弹性模量，A表示光纤光栅的截面积，mg表示摆重组件的重力，l表示摆重组件的重锤球心到横杆的交点长度。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114608432A (zh) * 2022-05-16 2022-06-10 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁变形监测装置及方法
CN114739307A (zh) * 2022-04-08 2022-07-12 中国人民解放军国防科技大学 一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法
CN115164843A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁倾角测量装置、桥梁挠度测量方法及装置
CN115615395A (zh) * 2022-11-18 2023-01-17 山东科技大学 一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法
CN115790534A (zh) * 2023-01-06 2023-03-14 山东科技大学 一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪以及倾角测量方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114739307A (zh) * 2022-04-08 2022-07-12 中国人民解放军国防科技大学 一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法
CN114739307B (zh) * 2022-04-08 2023-10-20 中国人民解放军国防科技大学 一种全光纤结构组合定姿装置及其应用方法
CN114608432A (zh) * 2022-05-16 2022-06-10 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁变形监测装置及方法
CN114608432B (zh) * 2022-05-16 2022-08-23 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁变形监测装置及方法
CN115164843A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁倾角测量装置、桥梁挠度测量方法及装置
CN115164843B (zh) * 2022-09-08 2023-02-14 深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司 一种桥梁倾角测量装置、桥梁挠度测量方法及装置
CN115615395A (zh) * 2022-11-18 2023-01-17 山东科技大学 一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法
CN115790534A (zh) * 2023-01-06 2023-03-14 山东科技大学 一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪以及倾角测量方法

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