CN115615395A - 一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法，涉及传感技术领域。其包括测倾仪本体和壳体，壳体位于测倾仪本体的外围，壳体可跟随岩层或土壤发生倾斜；测倾仪本体包括上碟形体、下碟形体、磁体、转动支架结构及光纤光栅，在光纤光栅上涂有磁性涂层，上碟形体和下碟形体相对设置，磁体位于上碟形体和下碟形体之间，磁体整体为上轻下重的梭形结构。利用光纤光栅原理，梭形结构的磁体和光纤光栅间的双边吸引作用，一方面大幅度减少了磁体和光纤光栅之间的物理摩擦所带来的一系列的测量偏差，提高了测量精度；另一方面与光纤光栅配合实现了倾角方向的测量。本发明可同时实现倾角大小和倾角方向的测量，提高测量精度。

Description

一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪以及测量方法。

背景技术

光纤光栅传感技术是利用紫外光在光线内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱，测量岩层的应变和倾角变化。

对沿着竖直方向不同高度或者深度处的倾斜、变形信息的监测在高层建筑、深坑、高边坡等工程领域非常重要，通过监测，可掌握它们的倾斜、变形情况及其变化趋势。目前常采用的监测设备有电测斜仪和机械测斜仪，这两种测斜仪还存在以下技术问题：

（1）电测斜仪抗干扰能力差，读数不稳定，且工作人员的每次测量都必须到边坡现场实施，工作开展非常不便，不同的工作人员受主观影响后的读数结果也容易不同，而且无法做到实时监测；（2）普通机械侧测倾仪由于复杂的传动结构使其所受摩擦阻力过大，难以实现精准的测量。

研究发现，光纤光栅传感技术因其抗电磁干扰、可多个传感器串接复用、可远程实时监测以及精度高等突出优势，非常适用于边坡等野外恶劣环境中的实时监测，因此基于光纤光栅原理变形测量技术研究不断。

现有技术利用光纤光栅原理进行变形测量的相关研究报道主要有：

申请号 201910682817.4公开了一种自温补光纤光栅水准测斜仪及倾斜计算方法，该水准测斜装置一与水准测斜装置二内分别设有浮力位移测准装置；水准测斜装置一与水准测斜装置二布置在被测件上；当被测件发生倾斜后，水准测斜装置一与水准测斜装置二内的浮力位移测准装置将测量偏倾斜值发送至外部终端；通过增加水准测斜元件的数量以实现区域范围内多点之间的倾斜及水准度的测量。该自温补光纤光栅水准测斜仪，可放置在任意被测件上进行测试。

申请号201610157393.6公开了一种基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置及方法，包括监控中心和与监控中心依次连接的变电站和监测终端；监测终端包括若干个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接，与光纤光栅解调仪连接的还有光纤光栅倾斜传感器组，光纤光栅倾斜传感器组通过OPGW与站内光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪与检测主机连接，监测主机还与微气象传感器连接；该监测装置解决了现有的检测方法在铁塔发生微小形变时无法准确监测到的问题。

上述现有技术均利用了光纤光栅原理对不同领域进行了变形测量，但其还存在以下技术问题：精度低、寿命短、体积大，因此，难以将其应用于工程结构的变形监测。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其可同时实现倾角大小和倾角方向的测量，提高了测量精度，且便于安装。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其包括测倾仪本体和壳体，所述的壳体位于所述的测倾仪本体的外围，所述的壳体可跟随岩层或土壤发生倾斜，所述的测倾仪本体包括第一固定件、第二固定件、磁体、转动支架结构以及光纤光栅，所述的光纤光栅涂有磁性涂层；所述的第一固定件和第二固定件相对设置，在所述的第一固定件和第二固定件之间设置所述的磁体，所述的磁体整体为上轻下重的梭形结构，磁体的两端与所述的第一固定件和第二固定件的垂直距离分别为0.8～1.2cm；

所述的光纤光栅呈二维螺旋分布布置在所述的第一固定件和第二固定件上；

所述的转动支架结构包括无阻尼圆盘转轴、横向无阻尼转轴以及两个悬挂支架，所述的第一固定件通过所述的无阻尼圆盘转轴固定在所述的壳体的上盖的内侧，所述的横向无阻尼转轴穿过所述的磁体的中部，所述的横向无阻尼转轴的两端分别通过可自由转动的横向插销连接对应的悬挂支架，当所述的无阻尼圆盘转轴转动时可带动所述的磁体进行360°横向自由转动。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

上述技术方案中，当岩层或土壤结构发生变形时，壳体也发生变形，而磁体为上轻下重的梭形结构，通过转动支架结构的配合，可使得梭形结构的磁体呈竖向静止分布状态，磁体的两端具有磁性，与位于第一固定件、第二固定件上光纤光栅发生磁性吸引力，从而产生双向拉力，并使得光纤光栅因应力作用发生应变，之后通过光纤光栅的解调分析，得到波动峰值出现的位置，结合理论计算即可得到监测倾斜角度和倾角方向。

上述作为本发明的一个优选方案，所述的第一固定件为上窄下宽的碟形体，所述的第二固定件为上宽下窄的碟形体，且两个碟形体的大小相同。

进一步优选，所述的磁体分为上下部分，分别为上部呈锥形的第一磁体和下部呈倒锥形的第二磁体，所述的第一磁体的高度大于所述的第二磁体的高度。

进一步的，所述的第二固定件固定连接在所述的壳体的底部内侧。

进一步的，当所述的壳体跟随岩层或土壤发生倾斜时，所述的磁体始终呈上轻下重且在竖直方向上相对静止的状态，所述的磁体通过对所述的光纤光栅产生磁性吸引力，并使得所述的光纤光栅产生变形拉伸现象。

本发明的另一目的在于提供一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪的测量方法，包括以下步骤：

S1、安装上述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪；

S2、将壳体固定于被测结构上，当被测结构倾角发生变化时，壳体也发生相同的倾斜角度变化，磁体因自身自重原因，在竖向上始终处于静止状态；

S3、第一固定件、第二固定件随着壳体发生倾斜转动，并与磁体产生相对转动，并使得第一固定件和第二固定件上的光纤光栅由于磁体的吸引作用，产生相对的应力应变，从而导致光纤光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化位置与倾角的对应关系，如式（1）（2）：

d₁=S/2nπ–nd/2；d₂=S/2nπ–nd/2 （1）

Sinθ=d₁/L₃= d₂/L₄ （2）

式中：

d₁，d₂—磁体距离中心轴的偏移投影距离；

S—光纤光栅解调仪上监测所得的峰值出现的波长距离；

n—为光纤光栅的盘绕圈数；

d—光纤光栅呈盘绕状态时，外圈和内圈的半径差值；

θ—倾角；

L₃—磁体上半轴长度，即为OA长度；

L₄—磁体下半轴长度，即为OB长度；

结合式（1）、（2），即得倾角的大小和方向。

本发明测倾仪的测量原理：

利用光纤光栅原理，以及呈梭形的磁体和光纤光栅之间的相互作用力，实现了倾角大小和倾角方向的同步测量。其中，无阻尼圆盘转轴、横向无阻尼转轴以及两个悬挂支架使磁体呈竖向静止分布状态，壳体根据土层自由运动，光纤光栅呈圆周分布在第一固定件和第二固定件上，使得磁体与光纤光栅全方位有拉力作用，实现了倾角的360度全方位实时监测；磁体和光纤光栅之间的双边吸引作用，一方面大幅度减少了磁体和光纤光栅之间的物理摩擦所带来的一系列的测量偏差，提高了测量精度；另一方面与光纤光栅配合实现了倾角方向的测量。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明提出了一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其内部主要结合梭形磁体和光纤光栅产生磁性吸引力，结合光纤光栅的形变拉伸现象，进一步通过分析、计算得到监测倾斜角度和倾角方向，该测倾仪内部没有任何电子元器件，避免了现有技术中测倾仪内部由于电子元器件的存在产生的外部干扰问题。

本发明提出的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，主要采用光纤光栅监测倾斜信号，并通过梭形磁体的两端和光纤光栅的磁性拉力作用，提高了传感器的响应能力和灵敏度。

本发明提出的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，将光纤光栅布置在碟形体内，而且呈二维螺旋式分布在碟形体上，减小了传感器体积，增加了传感器的抗冲击能力，降低了测倾仪的安装难度。

本发明提出的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，具有测量范围广、灵敏度高、结构简单、成本低、多角度测量土层倾斜角度与方向等优点，可广泛应用于各种复杂的环境中。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明光纤光栅测倾仪的竖向剖面结构示意图；

图2为本发明光纤光栅测倾仪的立体图；

图3为本发明光纤光栅测倾仪的倾角计算原理图及其等效模型；

图4为本发明光纤光栅测倾仪测得的倾角响应曲线图；

图5为本发明光纤光栅测倾仪的灵敏度调节的倾角响应曲线图；

图6为光纤光栅呈盘绕状态时每转弯处的半径增加量示意图；

图中：

10、上盖；11、柱体；12、底盖；20、无阻尼圆盘转轴；21、悬挂支架；22、横向无阻尼转轴；30、第一固定件；31、第二固定件；40、光纤光栅；50、磁体；

d₁、d₂—磁体距离中心轴的偏移投影距离；θ—被测结构偏移竖直面的倾斜角度；O—连接转动点；L₁—壳体转动后上碟形体距离磁体连接转动点O点距离；L₂—壳体转动后下碟形体距离磁体连接转动点O点距离；L₃—磁体上半轴长度，即为OA长度；L₄—磁体下半轴长度，即为OB长度；O—磁体与横向无阻尼转轴连接位置；R₂—光纤光栅（盘绕呈圆形状态）的外圈半径，R₁—光纤光栅（盘绕呈圆形状态）的内圈半径。

具体实施方式

本发明提出了一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪及其测量方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明中所述及的“光纤光栅”，在其表面均涂覆磁性涂层，使其具有磁性。

本发明中所述及的“倾角”即为岩土体的倾斜角度。

结合图1和图2所示，本发明一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，包括测倾仪本体和壳体，壳体位于所述的测倾仪本体的外围，壳体的主要作用在于保护测倾仪的内部结构并跟随岩层或土壤发生倾斜，因此，壳体的材质可以选择为塑料，壳体的形状优选为柱形结构，包括柱体11、上盖10以及底盖12，其中，柱体11和上盖10、底盖12之间通过连接结构连接在一起，具体的连接结构如卡扣方式，这样方便安装。

测倾仪本体包括第一固定件30、第二固定件31、磁体50、转动支架结构以及光纤光栅40，第一固定件30和第二固定件31相对设置，在第一固定件30和第二固定件31之间设置磁体50，第一固定件30和第二固定件31的作用是：用于配置光纤光栅40，为了使得光纤光栅40呈二维螺旋状分布，因此第一固定件30、第二固定件31优选为上碟形体和下碟形体，其中，上碟形体和下碟形体容积相同，上碟形体为上窄下宽结构，即其横截面积自上而下依次增大，下碟形体为上宽下窄结构，即其横截面积自上而下依次减小。光纤光栅40分布在上碟形体和下碟形体上，相当于按照其圆周方向进行排布，整体呈二维螺旋状，这样设计，可以使得磁体50的两端与光纤光栅40全方位产生拉力作用，即可实现倾角的360度全方位监测。

作为本发明的一个主要改进点，将磁体50设置为上轻下重的梭形结构，磁体50的两端与所述的第一固定件30和第二固定件31的垂直距离分别为0.8～1.2cm，优选为1cm，上轻下重的梭形结构，可以进一步保证磁体50重心下移，确保其稳定，磁体50的两端与上碟形体、下碟形体之间保留一定距离，磁体50的两端与位于上碟形体、下碟形体上的光纤光栅40产生磁性吸引力。

磁体50为上轻下重的梭形结构，如图2所示，磁体50分为上下部分，分别为上部呈锥形的第一磁体和下部呈倒锥形的第二磁体，第一磁体的高度大于第二磁体的高度。这种设计方式即可使得磁体50重心下移。当壳体随土层移动发生移动时，磁体50始终呈上轻下重的相对静止状态，进而对光纤光栅40发生磁性吸引作用，产生双向拉力，使得光纤光栅40因应力作用发生应变，再通过对光纤光栅40的解调分析，得到波动峰值出现的位置，以相应的角度转换公式得到监测倾斜角度和倾角方向。

上述的上碟形体和下碟形体分别固定在壳体的上盖10的内侧和底盖12的内侧，具体的，

转动支架结构包括无阻尼圆盘转轴20、横向无阻尼转轴22以及两个悬挂支架21，上碟形体通过无阻尼圆盘转轴20固定在壳体的上盖10的内侧，横向无阻尼转轴22穿过磁体50的中部，并通过可自由转动的横向插销与悬挂支架21连接在一起，在与两个悬挂支架21连接的两个横向插销之间设置横向无阻尼转轴22，相当于横向无阻尼转轴22的两端分别通过一个横向插销分别连接一个悬挂支架21，当无阻尼圆盘转轴20转动时可带动磁体50进行360°横向自由转动。

进一步的，磁体50的两端同时对光纤光栅40产生引力，使得光纤光栅40产生形变拉伸现象，增大光纤光栅40应变程度，提高测倾仪的测量精度。

如图3所示，下面对上述的光纤光栅测倾仪的测量方法做详细说明。

步骤一、安装上述的光纤光栅测倾仪；

步骤二、将壳体固定于被测结构上，当被测结构倾角发生变化时，壳体也发生相同的倾斜角度变化，磁体50因自身自重原因，在竖向上始终处于静止状态；

步骤三、上碟形体、下碟形体随着壳体发生倾斜转动，并与磁体50产生相对转动，并使得上碟形体和下碟形体上的光纤光栅40由于磁体50的吸引作用，产生相对的应力应变，从而导致光纤光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化位置与倾角的对应关系，如式（1）（2）：

d₁=S/2nπ–nd/2；d₂=S/2nπ–nd/2 （1）

Sinθ=d₁/L₃= d₂/L₄ （2）

式中：

结合图3所示，磁体距离中心轴的偏移投影距离分别为d₁、d₂，光纤光栅解调仪上监测所得的峰值出现的波长距离为S；光纤光栅的盘绕圈数为n；倾角即被测岩土体的倾斜角度（被测结构偏移竖直面的倾斜角度）为θ；连接转动点为O；磁体上半轴长度L₃，即为OA长度，其中A代表磁体的顶端点；磁体下半轴长度L₄即为OB长度，B代表磁体的底端点；传感器外壳转动后上碟形体距离磁体连接转动点O点距离标记为L₁；传感器外壳转动后下碟形体距离磁体连接转动点O点距离标记为L₂；

如图6所示，盘绕式的光纤光栅每转弯处的半径增加量为d，d=R₂﹣R₁；其中，R₂﹣R₁即为光纤呈盘绕状态的半径差值。如图6中R₂为光纤光栅（盘绕呈圆形状态）的外圈半径，R₁为光纤光栅（盘绕呈圆形状态）的内圈半径。

为了进一步提高本发明测倾仪所测倾斜角度的准确性和灵敏度，d₂可当作验算公式，进一步验算倾角θ。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

采用本发明光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪进行倾角测量。

在光纤光栅解调仪上得到波形在150cm处有显著波动产生，去除未分布于上碟形体上的光纤光栅40长度得到实际波动距离为100cm，分布于上碟形体上，d取1，n取4，进而根据公式求得d₁=2.24cm，采用双光栅对称结构消除温度影响后，被测结构偏移竖直面的倾斜角度为10°。

实验所得的测倾仪倾角响应曲线如图4所示，本发明测倾仪的灵敏度可达到56.93pm/1°，0-10°范围内的线性度较好，且测量精度为0.02°，在同类的利用光纤光栅实现倾角传感技术中具有较高的实际测量精度。

实施例2：

与实施例1 相似，区别在于二维螺旋分布式光纤光栅的分布转弯处半径增加量d=2和盘绕圈数n=2，实验所得测倾仪倾角响应曲线如图5所示，由图可以看出，改变光纤光栅40的d和盘绕圈数n后，测倾仪在线性范围为0-80°，减小了测倾仪的灵敏度，扩大了测倾仪的倾角检测范围，从而能有效适用于不同工程环境的应用需求。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其包括测倾仪本体和壳体，所述的壳体位于所述的测倾仪本体的外围，所述的壳体可跟随岩层或土壤发生倾斜，其特征在于：

所述的测倾仪本体包括第一固定件（30）、第二固定件（31）、磁体（50）、转动支架结构以及光纤光栅（40），所述的光纤光栅（40）涂有磁性涂层；所述的第一固定件（30）和第二固定件（31）相对设置，在所述的第一固定件（30）和第二固定件（31）之间设置所述的磁体（50），所述的磁体（50）整体为上轻下重的梭形结构，磁体（50）的两端与所述的第一固定件（30）和第二固定件（31）的垂直距离分别为0.8～1.2cm；

所述的光纤光栅（40）呈二维螺旋分布布置在所述的第一固定件（30）和第二固定件（31）上；

所述的转动支架结构包括无阻尼圆盘转轴（20）、横向无阻尼转轴（22）以及两个悬挂支架（21），所述的第一固定件（30）通过所述的无阻尼圆盘转轴（20）固定在所述的壳体的上盖的内侧，所述的横向无阻尼转轴（22）穿过所述的磁体（50）的中部，所述的横向无阻尼转轴（22）的两端分别通过可自由转动的横向插销连接对应的悬挂支架（21），当所述的无阻尼圆盘转轴（20）转动时可带动所述的磁体（50）进行360°横向自由转动。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其特征在于：所述的第一固定件（30）为上窄下宽的碟形体，所述的第二固定件（31）为上宽下窄的碟形体，且两个碟形体的大小相同。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其特征在于：所述的磁体（50）分为上下部分，分别为上部呈锥形的第一磁体和下部呈倒锥形的第二磁体，所述的第一磁体的高度大于所述的第二磁体的高度。

4.根据权利要求2所述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其特征在于：所述的第二固定件（31）固定连接在所述的壳体的底部内侧。

5.根据权利要求3所述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪，其特征在于：当所述的壳体跟随岩层或土壤发生倾斜时，所述的磁体（50）始终呈上轻下重且在竖直方向上相对静止的状态，所述的磁体（50）通过对所述的光纤光栅（40）产生磁性吸引力，并使得所述的光纤光栅产生变形拉伸现象。

6.一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：

S1、安装如权利要求1～5任一项所述的一种光纤光栅采空区上覆岩层测倾仪；

S2、将壳体固定于被测结构上，当被测结构倾角发生变化时，壳体也发生相同的倾斜角度变化，磁体（50）因自身自重原因，在竖向上始终处于静止状态；

S3、第一固定件（30）、第二固定件（31）随着壳体发生倾斜转动，并与磁体（50）产生相对转动，并使得第一固定件（30）和第二固定件（31）上的光纤光栅由于磁体（50）的吸引作用，产生相对的应力应变，从而导致光纤光栅中心波长的漂移，根据中心波长的变化位置与倾角的对应关系，如式（1）（2）：

d₁=S/2nπ–nd/2；d₂=S/2nπ–nd/2 （1）

Sinθ=d₁/L₃= d₂/L₄ （2）

式中：

d_1，d₂—磁体距离中心轴的偏移投影距离；

S—光纤光栅解调仪上监测所得的峰值出现的波长距离；

n—为光纤光栅的盘绕圈数；

d—光纤光栅呈盘绕状态时，外圈和内圈的半径差值；

θ—倾角；

L₃—磁体上半轴长度，即为OA长度；

L₄—磁体下半轴长度，即为OB长度；

结合式（1）、（2），即得倾角的大小和方向。

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