CN114910198A - 一种光纤光栅侧摩阻力传感器及标定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，包括箱体、底座、传力体、第一反立柱、第二反力柱、应力环、所述第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述箱体固定安装在所述底座上形成上方敞口的敞口结构，所述传力体为类π型结构，其包括横向板和两个竖向板，三者共同形成中间空间，所述第一反立柱穿过其中一个竖向板连接于所述箱体的内侧壁，所述第二反力柱安装在另一个竖向板上，所述应力环为长条状，其两端分别连接于所述第一反力柱和所述第二反力柱，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅粘贴在应力环上。

Description

一种光纤光栅侧摩阻力传感器及标定装置与方法

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，具体地涉及一种光纤光栅侧壁摩阻力传感器。

背景技术

侧摩阻力测试是岩土工程和地下工程施工及服役过程中重要的监测项目。目前，侧阻力获得的手段主要有间接测试、直接测试两种方法。间接测试方法是通过获取其他容易获取的参数，然后换算出侧摩阻力。其主要有以下三种：通过测试轴向应力，换算得到侧阻力；由侧壁土压力乘以摩擦系数获得侧阻力；通过测试获取端阻力，然后反演计算出侧阻力，由于间接测试需要中间转环，导致测试结果误差大，时效性低。直接测试方法相比间接测试方法无转换过程，其主要有静力触探、自平衡测试等方法。其中，静力触探在由于贯入过程中产生超孔隙水压力且超孔隙水压力分布不均，摩擦筒底部的超孔隙水压力大于摩擦筒顶部的超孔隙水压力，导致测试侧摩阻力大于真实侧摩阻力；自平衡测试仅获得土层平均侧摩阻力，无法获取侧摩阻力沿深度方向分布规律。

此外，目前还没有稳定可靠的侧摩阻力传感器标定设备及方法，无法对侧摩阻力传感器进行满量程分级加卸载标定，导致侧摩阻力传感器无法获得准确的标定系数

发明内容

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，一方面，本发明的一优选实施方案提供了一种光纤光栅侧摩阻力传感器，包括箱体、底座、传力体、第一反立柱、第二反力柱、应力环、所述第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述箱体固定安装在所述底座上形成上方敞口的敞口结构，所述传力体为类π型结构，其包括横向板和两个竖向板，三者共同形成中间空间，所述第一反立柱穿过其中一个竖向板连接于所述箱体的内侧壁，所述第二反力柱安装在另一个竖向板上，所述应力环为长条状，其两端分别连接于所述第一反力柱和所述第二反力柱，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅粘贴在应力环上。

优选地，所述传力体顶面设置凹槽，且在槽内以填充被测介质。

优选地，所述箱体两个内侧壁和所述传力体的横向板的两端之间分别采用密封材料进行密封。

优选地，所述传力体通过滚体设置在底座上。

优选地，所述传力体的其中一个竖向板开设通孔，以供所述第一反力柱的外径穿过，所述通孔的孔径大于所述第一反力柱的外径。

优选地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均利用以下公式来计算侧摩阻力：

τ＝(Δλ₁-Δλ₂)C_λ

式中，Δλ₁是第一光纤光栅的布拉格波长变化量，Δλ₂是第二光纤光栅的布拉格波长变化量，C_λ是侧摩阻力传感器标定系数；A是侧摩阻力感测面的面积；k_ε是Bragg光纤光栅波长对应于应变的系数；l是测量面板顶面长度；H是密封材料的高度；E1是密封材料的弹性模量；u是密封材料的泊松比；d是测量面板与箱体的间隙；E2是圆形环的弹性模量；R是圆形环内径；h是圆环的径向宽度。

优选地，所述的光纤光栅为Bragg光纤光栅，所述光纤光栅分别粘贴在所述应力环中心的左右两侧构成差动光栅。

另一方面，本发明的一优选实施方案提供了一种光纤光栅侧摩阻力传感器的标定装置，包括传感器标定舱、传力转向器、传力杆、侧摩阻力传感器、拉压力传感器、伺服电机、光纤光栅解调仪、传输电缆、拉压力传感器解调仪，其中，

所述侧摩阻力传感器设置在所述传感器标定舱内，所述传力转向器嵌入侧摩阻力传感器的凹槽，所述传力转向器通过所述传力杆连接于所述伺服电机，所述传输光线一端连接所述第一光纤光栅和第二光纤光栅，另一端连接于所述光纤光栅解调仪，所述传力杆上设置有拉压力传感器，所述拉压力传感器连接所述传输电缆与拉压力传感器解调仪连接。

优选地，所述传感器标定舱固定在工作台上，所述传感器标定舱两侧还设置有限位块，所述伺服电机安装在反力架上，所述反力架固定在所述工作台上；

所述传力杆包括第一传力杆和第二传力杆，所述第一传力杆两端分别与传力转向器、拉压力传感器固定连接；所述第二传力杆两端分别与拉压力传感器、伺服电机固定连接。

另一方面，本发明的一优选实施方案提供了一种光纤光栅侧摩阻力传感器的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将光纤光栅侧摩阻力传感器安置于传感器标定舱内；

S2、将传力转向器嵌入侧摩阻力传感器的凹槽内，并将传力杆与传力转向器连接；

S3、采用伺服电机控制水平剪切力加载，进行恒剪切力加载，加载采用分级平稳加载方式，加载至传感器最大量程τ_max，每级加载都记录光纤光栅解调仪中第一光纤光栅波长变化量Δλ₁₁、Δλ₁₂、Δλ₁₃……，第二光纤光栅波长变化量Δλ₂₁、Δλ₂₂、Δλ₂₃……和拉压力传感器拉力值F1、F2、F3、……；

S4、达到最大量程τ_max后，再采用伺服电机控制水平剪切力减载，进行恒剪切力分级卸载，卸载过程中记录参数同上；

S5、重复步骤S3和S4，然后以Δλ₁-Δλ₂为横坐标，以

为纵坐标，进行曲线拟合，得到输出波长与侧摩阻力的函数关系，即为所述光纤光栅侧摩阻力传感器的标定函数；

S6、标定完成后在传感器凹槽内填被测介质。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)通过传力装置实现将侧摩阻力转化为应力环能感知的拉压应变，实现侧摩阻力直接测试。

(2)采用光纤光栅作为传感元件，具有耐久性强、抗电磁干扰、使用寿命长、易于组网等优点。

(3)采用差动光栅实现温度补偿，且提高传感器灵敏度。

(4)提供侧摩阻力标定设备及方法，标定系统稳定、可靠、成本低，操作简便，能精准标定。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明中光纤光栅侧摩阻力传感器的结构示意图；

图2为本发明中光纤光栅侧摩阻力传感器的俯视图。

图3为本发明中光纤光栅侧摩阻力传感器的剖面示意图。

图4为本发明中传力体的结构示意图。

图5为本发明中应力环的结构示意图。

图6为本发明中侧摩阻力传感器标定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图1-6所示，本发明的一优选实施方案提供一种光纤光栅侧摩阻力传感器，包括箱体1、底座2、传力体3、第一反立柱5、第二反力柱6、应力环7、所述第一光纤光栅10和第二光纤光栅11，所述箱体1固定安装在所述底座2上，形成上方敞口的敞口结构，所述传力体3为类π型结构，其包括横向板310和两个竖向板320，三者共同形成中间空间330，所述第一反立柱5穿过其中一个竖向板320连接于所述箱体1的内侧壁，所述第二反力柱安装在另一个竖向板320上，所述应力环7为长条状，其两端分别连接于所述第一反力柱5和所述第二反力柱6，所述第一光纤光栅10和第二光纤光栅11粘贴在应力环7上。

所述箱体1与所述底座2采用螺栓固定连接，且所述箱体1和所述底座2的连接接触处采用密封圈或密封胶13密封。

所述传力体3顶面设置凹槽，且在槽内以填充被测介质4。

所述箱体两个内侧壁和所述传力体3的横向板的两端之间分别采用密封材料8进行密封，所述密封材料8可以是密封垫，或者密封圈，具体形状不作限定，所述密封材料8为弹性材料，比如橡胶。

所述传力体3通过滚体10设置在底座上。

所述传力体3的其中一个竖向板320开设通孔，以供所述第一反力柱5的外径穿过，所述通孔的孔径大于所述第一反力柱5的外径。

本发明的一优选实施方案中，所述第一光纤光栅10和第二光纤光栅11均利用以下公式来计算侧摩阻力：

τ＝(Δλ₁-Δλ₂)C_λ

式中，Δλ₁是第一光纤光栅的布拉格波长变化量，Δλ₂是第二光纤光栅的布拉格波长变化量，C_λ是侧摩阻力传感器标定系数；A是侧摩阻力感测面的面积；k_ε是Bragg光纤光栅波长对应于应变的系数；l是测量面板顶面长度；H是密封材料的高度；E₁是密封材料的弹性模量；u是密封材料的泊松比；d是测量面板与箱体的间隙；E₂是圆形环的弹性模量；R是圆形环内径；b是圆环的轴向厚度；h是圆环的径向宽度。

本发明的一优选实施方案中，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅为Bragg光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别粘贴在所述应力环中心的左右两侧构成差动光栅。

本发明的另一实施方案提供一种光纤光栅侧摩阻力传感器的标定装置，包括传感器标定舱16、传力转向器18、传力杆、侧摩阻力传感器19、拉压力传感器21、伺服电机23、光纤光栅解调仪28、传输电缆29、拉压力传感器解调仪30，其中，

所述侧摩阻力传感器19设置在所述传感器标定舱16内，所述传力转向器18嵌入侧摩阻力传感器19的凹槽，所述传力转向器18通过所述传力杆连接于所述伺服电机23，所述传输光线26一端通过传感器标定舱16上的引出孔27连接所述第一光纤光栅10和第二光纤光栅11，另一端连接于所述光纤光栅解调仪28，所述传力杆上设置有拉压力传感器21，所述拉压力传感器21连接所述传输电缆29与拉压力传感器解调仪30连接。

所述传感器标定舱16固定在工作台15上，所述工作台15底部安装有滑轮14，所述传感器标定舱16两侧还设置有限位块17，所述伺服电机23安装在反力架24上，所述反力架24固定在所述工作台15上；

所述传力杆包括第一传力杆20和第二传力杆22，所述第一传力杆20两端分别与传力转向器18、拉压力传感器21固定连接；所述第二传力杆22两端分别与拉压力传感器21、伺服电机23固定连接。

本发明的另一实施方案提供一种光纤光栅侧摩阻力传感器的标定方法，包括以下步骤：

S1、将光纤光栅侧摩阻力传感器安置于传感器标定舱16内；

S2、将传力转向器18嵌入侧摩阻力传感器19的凹槽内，并将传力杆与传力转向器18连接；所述传力杆包括第一传力杆20和第二传力杆22，所述第一传力杆20两端分别与传力转向器18、拉压力传感器21固定连接；所述第二传力杆22两端分别与拉压力传感器21、伺服电机23固定连接。

S3、采用伺服电机23控制水平剪切力加载，进行恒剪切力加载，加载采用分级平稳加载方式，加载至传感器最大量程τ_max，每级加载都记录光纤光栅解调仪中第一光纤光栅波长变化量Δλ₁₁、Δλ₁₂、Δλ₁₃……，第二光纤光栅波长变化量Δλ₂₁、Δλ₂₂、Δλ₂₃……和拉压力传感器拉力值F1、F2、F3、……；

S4、达到最大量程τ_max后，再采用伺服电机23控制水平剪切力减载，进行恒剪切力分级卸载，卸载过程中记录参数同上；

S5、重复步骤S3和S4，然后以Δλ₁-Δλ₂为横坐标，以

为纵坐标，进行曲线拟合，得到输出波长与侧摩阻力的函数关系，即为所述光纤光栅侧摩阻力传感器的标定函数；

S6、标定完成后在传感器凹槽内填被测介质。

在现场监测时，首先将本发明的光纤光栅侧摩阻力传感器埋设于被测对象内，控制使得侧摩阻力传感器19的感知面与被测介质界面齐平，被测介质界面感受土体侧摩阻力，通过传力体将侧阻力3传至应力环7，由于第一反力柱5和第二反力柱6约束应力环7，导致应力环7发生微小弹性变形，引起第一光纤光栅10和第二光纤光栅12产生应变，最终引起波长发生变化，通过解调设备检测第一光纤光栅和第二光纤光栅的波长变化解调出对应的侧摩阻力值信号，进而实现侧摩阻力测量。

本发明实现侧摩阻力直接测试，采用光纤光栅作为传感元件，具有耐久性强、抗电磁干扰、使用寿命长、易于组网等优点，且采用差动式光栅实现温度补偿，提高传感器灵敏度；其标定设备及方法系统稳定好、成本低，操作简便，能精准标定，对岩土工程监测具有重要意义。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，包括箱体、底座、传力体、第一反立柱、第二反力柱、应力环、第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述箱体固定安装在所述底座上，形成上方敞口的敞口结构，所述传力体为类π型结构，其包括横向板和两个竖向板，三者共同形成中间空间，所述第一反立柱穿过其中一个竖向板连接于所述箱体的内侧壁，所述第二反力柱安装在另一个竖向板上，所述应力环为长条状，其两端分别连接于所述第一反力柱和所述第二反力柱，第一光纤光栅和第二光纤光栅粘贴在应力环上。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述传力体顶面设置凹槽，且在槽内以填充被测介质。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述箱体两个内侧壁和所述传力体的横向板的两端之间分别采用密封材料进行密封。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述传力体通过滚体设置在底座上。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述传力体的其中一个竖向板开设通孔，以供所述第一反力柱的外径穿过，所述通孔的孔径大于所述第一反力柱的外径。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅均利用以下公式来计算侧摩阻力：

τ＝(Δλ₁-Δλ₂)C_λ

式中，Δλ₁是第一光纤光栅的布拉格波长变化量，Δλ₂是第二光纤光栅的布拉格波长变化量，C_λ是侧摩阻力传感器标定系数；A是侧摩阻力感测面的面积；k_ε是Bragg光纤光栅波长对应于应变的系数；l是测量面板顶面长度；H是密封材料的高度；E₁是密封材料的弹性模量；u是密封材料的泊松比；d是测量面板与箱体的间隙；E₂是圆形环的弹性模量；R是圆形环内径；b是圆环的轴向厚度；h是圆环的径向宽度。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅侧摩阻力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为Bragg光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别粘贴在所述应力环中心的左右两侧构成差动光栅。

8.一种光纤光栅侧摩阻力传感器的标定装置，其特征在于，包括传感器标定舱、传力转向器、传力杆、侧摩阻力传感器、拉压力传感器、伺服电机、光纤光栅解调仪、传输电缆、拉压力传感器解调仪，其中，

所述侧摩阻力传感器设置在所述传感器标定舱内，所述传力转向器嵌入侧摩阻力传感器的凹槽，所述传力转向器通过所述传力杆连接于所述伺服电机，所述传输光线一端连接所述第一光纤光栅和第二光纤光栅，另一端连接于所述光纤光栅解调仪，所述传力杆上设置有拉压力传感器，所述拉压力传感器连接所述传输电缆与拉压力传感器解调仪连接。

9.根据权利要求8所述的光纤光栅侧摩阻力传感器的标定装置，其特征在于，所述传感器标定舱固定在工作台上，所述传感器标定舱两侧还设置有限位块，所述伺服电机安装在反力架上，所述反力架固定在所述工作台上；

所述传力杆包括第一传力杆和第二传力杆，所述第一传力杆两端分别与传力转向器、拉压力传感器固定连接；所述第二传力杆两端分别与拉压力传感器、伺服电机固定连接。

10.一种应用权利要求1-8任一所述的光纤光栅侧摩阻力传感器的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将光纤光栅侧摩阻力传感器安置于传感器标定舱内；

S2、将传力转向器嵌入侧摩阻力传感器的凹槽内，并将传力杆与传力转向器连接；

S3、采用伺服电机控制水平剪切力加载，进行恒剪切力加载，加载采用分级平稳加载方式，加载至传感器最大量程τ_max，每级加载都记录光纤光栅解调仪中第一光纤光栅波长变化量Δλ₁₁、Δλ₁₂、Δλ₁₃……，第二光纤光栅波长变化量Δλ₂₁、Δλ₂₂、Δλ₂₃……和拉压力传感器拉力值F1、F2、F3、……；

S4、达到最大量程τ_max后，再采用伺服电机控制水平剪切力减载，进行恒剪切力分级卸载，卸载过程中记录参数同上；

S5、重复步骤S3和S4，然后以Δλ₁-Δλ₂为横坐标，以

为纵坐标，进行曲线拟合，得到输出波长与侧摩阻力的函数关系，即为所述光纤光栅侧摩阻力传感器的标定函数；

S6、标定完成后在传感器凹槽内填被测介质，即可测出混凝土和土体之间的侧摩阻力。

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