CN115790534B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，涉及岩土工程传感技术领域。其包括外壳和测斜仪本体，测斜仪本体包括光纤集成探头、反射镜、活动板、位移转换块、主轴以及配重块；光纤集成探头安装在外壳的顶盖的内壁，光纤集成探头包括一根单模光纤和一根多模光纤，反射镜位于活动板上；活动板横向安装在外壳内，在活动板与外壳的顶盖的内壁之间设置有弹簧；主轴的底端设置配重块。当被测物体倾斜时，通过本发明可上下移动的活动板、滚动轴承、滑动轴承与位移转换块相配合，可以测得光功率大小与位移H的关系，进而结合相关理论计算，即可计算得出倾角大小。本发明测量精度高，可适用于复杂环境条件下的监测。

Description

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

技术领域

本发明涉及岩土工程传感技术领域，具体涉及一种倾角测试设备，尤其涉及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。

背景技术

测斜仪是一种用于测量钻孔、基坑、地基基础、墙体和坝体坡等工程构筑物的顶角、方位角的仪器。各种各样的测斜仪广泛应用于水利水电、矿产冶金、交通与城建岩土工程领域，在保证岩土工程设计、施工及其使用安全中，发挥了重要的作用。

传统的测斜仪分为便携式测斜仪和固定式测斜仪，便携式测斜仪分为便携式垂直测斜仪和便携式水平测斜仪，固定式分为单轴和双轴测斜仪。这些传统测斜仪结构复杂，使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形，在测斜仪观测时，为了消除和减少仪器的零漂及装配误差等，应在位移的正方向及测头调转180度以后的反方向各测读一次数据，取正反两方向测读数据的代数平均值作为倾角测值，其次其结构易受复杂恶劣的野外工作环境影响而受到腐蚀，难以长期实时监测倾角变化。

光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

现有技术有研究将光纤应用于测斜仪来测量倾斜角度，主要有：

申请号201911025060.8公开了一种光纤光栅测斜仪，包括壳体，以及设置在壳体内的弹性梁、力放大组件、第一磁体和第二磁体；弹性梁位于壳体的上部，且水平放置，一端与壳体的内壁连接，另一端为自由端；弹性梁上贴设有用于监测弹性梁伸长量的光纤光栅；力放大组件位于弹性梁下方；第一磁体位于力放大组件的下方，通过绕经力放大组件的刚性丝与弹性梁的自由端连接；第二磁体套设于第一磁体外并与第一磁体间隙配合；第二磁体固设于壳体内，且与第一磁体磁性相斥。

申请号201711478251.0公开了一种基于光纤光栅的固定式测斜仪器，包括传感器保护壳、第一光纤光栅测斜传感器、第二光纤光栅测斜传感器、连接光纤以及光纤尾纤，光纤光栅测斜传感器的感测部件为对称布设有光纤光栅的等强度悬臂梁，不同传感器的光纤光栅通过连接光纤串连后经尾纤引出。

上述现有技术虽然可以对待测物倾角进行测量，但还存在以下技术问题：

采用光栅传感器产生应变进行测量，测量过程当中会对传感器本身造成损伤，减少传感器使用寿命，甚至降低精度，此外，测斜仪采用磁性材料易受磁场干扰导致测量不准确。

由此可见，现有技术有待于进一步改进。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其解决了现有技术中测倾仪存在的易受损、寿命短、体积大、易受电磁干扰的技术问题，本发明测斜仪测量精度高，可适用于复杂环境条件下的监测。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a：安装所需设备，所需设备为巷道倾角测斜仪，所述的巷道倾角测斜仪包括外壳和位于外壳内的测斜仪本体；

所述的测斜仪本体包括光纤集成探头、反射镜、活动板、位移转换块、主轴以及配重块；

所述的光纤集成探头安装在所述外壳的顶盖的内壁，所述的光纤集成探头包括一根单模光纤和一根多模光纤，所述的单模光纤用于与光源连接，所述的多模光纤用于与光探测器连接；

所述的反射镜位于所述的活动板上，且与所述的光纤集成探头相对设置；

b：测量倾角

将所述的巷道倾角测斜仪放置于待测物体表面，当倾角发生变化时，所述的配重块带动主轴一直呈竖直状态，此时推动所述的活动板，上移或者下移，从所述的光纤集成探头发出的光经所述的反射镜反射至多模光纤，由于反射镜随着活动板进行上下移动，使得多模光纤接收到的光功率发生变化， 在位移转化块的作用下，当主轴左旋时，所述的活动板向下移动，此时倾角大小按照式（1）计算：

                            （1）

R：主轴旋转时半径大小；

H：竖直位移变化，H根据光功率变化值P₀减去P₁求得，P₀为初始光功率大小，P₁为多模光纤接收到的光功率；

当主轴右旋时，所述的活动板向上移动，此时倾角大小按照式（2）计算：

                      （2）

式（2）中：

R：主轴旋转时半径大小；

r：位移转换块的弧形半径；

H：竖直位移变化，H根据光功率变化值P₀减去P₂求得，P₀为初始光功率大小，P₂为多模光纤接收到的光功率。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

通过在外壳的顶盖的内壁设置光纤集成探头，通过光纤集成探头可以发射和接收一定波长的光，反射镜粘接在与光纤集成探头位置相对的活动板上，并且可跟随活动板上下移动，通过反射镜可以反射光纤集成探头发出的光，当被测物体倾斜时，通过可上下移动的活动板、滚动轴承、滑动轴承与位移转换块相配合，可以测得光功率大小与位移H的关系，进而结合本发明公式即可计算得出倾角大小。

本发明基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪结合具体的计算公式，可以监测得到待测物的倾角大小，并且本发明在监测中，主要是利用了反射光原理，内部没有干扰性元件，因此进一步提高了测量精度。

进一步的，上述的多模光纤接收到的光功率P₁由式（3）计算得到：

                         （3）

多模光纤接收到的光功率P₂由式（4）计算得到：

                         （4）

式（3）和式（4）中：

k₁、k₂、k₃的值分别由式（5）、（6）、（7）计算得到

                          （5）

                                 （6）

                       （7）

式（5）、（6）、（7）中：

a为多模光纤纤芯半径，NA为多模光纤的数值孔径，为光纤外介质的折射率，c代表接收光纤末端的菲涅尔反射，P₀为初始光功率大小，k₁、k₂均为多模光纤中与结构设定相关的常数，k₃为多模光纤中与模式功率分布相关的常数。

进一步的，所述的位移转换块位于活动板的下方，且位移转换块包括水平部和弧形部，水平部与活动板平行，弧形部向靠近活动板的一侧凸起，且弧形部的最高点位与滚动轴承处；

所述的弧形部的半径小于所述的主轴的摆动半径；

在所述的主轴的中上部设置有固定轴承，所述的固定轴承的两端固定在所述的外壳的前、后壁上。

进一步的，所述的活动板横向安装在所述的外壳内，在所述的活动板与外壳的顶盖的内壁之间设置有弹簧，所述的弹簧设置有两组，两组弹簧以集成光纤探头为中心，呈对称设计，在左端的弹簧底部设置有用于平衡气压的小孔；

所述的主轴的顶端通过滚动轴承连接在所述的活动板的下方，所述的主轴的底端设置配重块。

本发明的另一目的在于提供一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，其内部无干扰项元件，可提高测量精度。

一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，包括外壳和位于外壳内的测斜仪本体；

所述的测斜仪本体包括光纤集成探头、反射镜、活动板、位移转换块、主轴以及配重块；

所述的光纤集成探头安装在所述外壳的顶盖的内壁，所述的光纤集成探头包括一根单模光纤和一根多模光纤，所述的单模光纤用于与光源连接，所述的多模光纤用于与光探测器连接；

所述的反射镜位于所述的活动板上，且与所述的光纤集成探头相对设置；

所述的活动板横向安装在所述的外壳内，在所述的活动板与外壳的顶盖的内壁之间设置有弹簧，所述的弹簧设置有两组，两组弹簧以集成光纤探头为中心，呈对称设计，在左端的弹簧底部设置有用于平衡气压的小孔；

所述的主轴的顶端通过滚动轴承连接在所述的活动板的下方，所述的主轴的底端设置所述的配重块；在所述的主轴的中上部设置有固定轴承，所述的固定轴承的两端固定在所述的外壳的前、后壁上；

所述的位移转换块位于活动板的下方，且所述的位移转换块包括水平部和弧形部，所述的水平部与活动板平行，所述的弧形部向靠近活动板的一侧凸起，且所述的弧形部的最高点位与所述的滚动轴承处；

所述的弧形部的半径小于所述的主轴的摆动半径。

进一步的，上述一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪中，所述的反射镜表面进行镀银处理。

进一步的，上述一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪中，所述的活动板的边缘与所述的外壳的内壁紧密接触并且可沿着外壳的内壁可上下自由滑动。

进一步的，上述一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪中，所述的反射镜粘接在所述的活动板上。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

（1）本发明提供的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，内部没有电子元件，不存在外部信号干扰的问题。

（2）本发明提供的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，采用反射式光纤传感系统，因此不存在对光纤本身的损伤，使用寿命较长。

（3）本发明提供的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，内部没有磁性器件，不会受到电磁场的干扰适用性较强。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪的竖向剖面结构示意图；

图2为本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪的俯视图；

图3为本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪的三维结构示意图；

图4为本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪左倾时倾角计算原理图及其等效模型；

图5为本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪右倾时倾角计算原理图及其等效模型；

图6为实验测得的光功率大小与位移变化H的关系图像；

图中：

1、外壳，2、光纤集成探头，3、反射镜，4、活动板，5、底板，6、固定轴承，7、弹簧，8、位移转换块，9、滚动轴承，10、主轴，11、配重块，R、主轴旋转时半径大小，H、竖直位移变化，r、位移转换块的弧形半径，、倾角。

具体实施方式

本发明提出了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，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。

本发明中所述及的外壳，其形状为柱体结构，如长方体或圆柱体。

反射镜3，如采用平面反射镜，在其玻璃表面镀银，以提高多模光纤接收到的反射光功率。

弹簧7，采用微弹力弹簧，其弹力较小，用于推动活动板4下移但在一定范围内不可推动主轴10旋转过大角度。

固定轴承6、滚动轴承9的主要结构借鉴现有技术即可，滚动轴承9的主要目的是为了减小摩擦力。

结合图1至图3所示，本发明一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，包括外壳1和位于外壳1内的测斜仪本体，测斜仪本体包括光纤集成探头2、反射镜3、活动板4、位移转换块8、主轴10以及配重块11；外壳1的设置用于保护其内部的测斜仪本体。

光纤集成探头2安装在外壳1的顶盖的内壁，且安装在顶盖内壁的中心位置，与现有技术中的结构不同的是，本发明中光纤集成探头2包括一根单模光纤和一根多模光纤，单模光纤用于与光源连接，多模光纤用于与光探测器连接。

反射镜3位于活动板4上，具体如通过粘接的方式固定在活动板4上，且与光纤集成探头2相对设置，便于反射光源。

活动板4横向安装在外壳1内，具体的，所述的活动板4的边缘与所述的外壳1的内壁紧密接触并且可沿着外壳1的内壁上下自由滑动，活动板4可在弹簧7的伸长和主轴10的推动之下进行上下平滑移动。

弹簧7位于活动板4与外壳1的顶盖的内壁之间，优选弹簧7设置两组，其分别位于光纤集成探头2的两侧，两组弹簧7以集成光纤探头为中心，呈对称设计。弹簧7处于正常压缩状态且可以带动活动板4上移或下移。

主轴10的顶端通过滚动轴承9连接在活动板4的下方，滚动轴承9可以减小主轴10和活动板4以及位移转换块8之间的摩擦，主轴10的底端设置配重块11，配重块11位于主轴10的下端，保证主轴10一直位于竖直状态。

在主轴10的中上部设置有固定轴承6，固定轴承6的两个轴承分别固定在外壳1的前、后壁上，具体的固定方式如焊接，固定轴承6还连接主轴10，保证主轴10可以进行旋转。

位移转换块8位于活动板4的下方，位移转换块8包括水平部和弧形部，水平部与活动板4平行，弧形部向靠近活动板4的一侧凸起，且弧形部的最高点位与滚动轴承9处；弧形部的设计，相当于形成了一个“半拱形”，滚动轴承9可在该弧形部内滑动，优选的，弧形部的半径小于所述的主轴10的摆动半径，当主轴10右转时，可以推动活动板4向上移动。

主轴10与滚动轴承之间铰接在一起，其嵌设在固定轴承6上，配重块11焊接在主轴10的底端，倾斜时，推动活动板4和位移转换块8上下移动，配重块11的重量，需保证主轴10一直处于竖直状态，并克服弹簧7弹力推动活动板4上移。配重块11的底部与外壳1的底板5不接触。

下面利用巷道倾角测斜仪测量待测物的倾斜角度，具体方法如下：

使用时，将巷道倾角测斜仪放置于待测物体表面，当倾角发生变化时，配重块11带动主轴10一直保持竖直状态，此时推动活动板4，上移或者下移，从光纤集成探头2发出的光经反射镜3反射至多模光纤，反射镜3随着活动板4上下移动，使多模光纤接收到的光功率发生变化。

由于在滑动板底部设置了位移转换块8，当主轴10左旋时，活动板4向下移动，多模光纤接收到的光功率变大，从而得知向右倾斜，当主轴10右旋时，活动板4向上移动，多模光纤接收到的光功率变小，从而得知向左倾斜。而不同的倾斜角度，也将造成多模光纤接收到的光功率不同，因此，本发明反射式光纤测斜仪可以准确测得待测物体倾角的大小与方向。

结合图4至图6所示，其中示出了主轴旋转时半径大小R、竖直位移变化H、位移转换块的弧形半径r以及倾角。

多模光纤接收到的光功率P₁由下式（1）计算得到：

                         （1）

多模光纤接收到的光功率P₂由式（2）计算得到：

                         （2）

式（1）和式（2）中：

k₁、k₂、k₃的值分别由式（3）、（4）、（5）计算得到

                          （3）

                                 （4）

                           （5）

式（3）、（4）、（5）中：

a为多模光纤纤芯半径，NA为多模光纤的数值孔径，为光纤外介质的折射率，c代表接收光纤末端的菲涅尔反射，P₀为初始光功率大小，k₁、k₂均为多模光纤中与结构设定相关的常数，k₃为多模光纤中与模式功率分布相关的常数。

巷道倾角测斜仪可竖直放置时，多模光纤接收到的光功率大小P₀为零点，当物体右倾，即主轴10向左旋转时，此时活动板4在弹簧7弹力作用下，向下移动，若此时测得的光功率大小为P₁，主轴10旋转时半径大小为R，此时光功率变化为P₀减去P₁，竖直位移变化H可根据光功率变化值P₀减去P₁求得。

此时倾角大小由式（6）计算得到：

                                  （6）

同理，当物体左倾，即主轴10向右旋转时，此时活动板4和位移转换块8，在主轴10推动下，向上移动，若此时测得的光功率大小为P₂，主轴10旋转时半径大小为R，位移转换块8弧形半径为r，此时光功率变化为P₀-P₂，竖直位移变化H可根据光功率变化值P₀-P₂求得。

此时倾角大小由式（7）计算得到：

                                （7）

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

利用本发明测量方法进行测量，测量倾斜角度时，竖直状态下多模光纤接收到的光功率为62，当放置于被测物体时，多模光纤接收到光功率大小为80，可知倾斜方向向右，根据图像可知其竖直位移大小为0.5mm，R取50mm，r取46mm，

根据公式，可计算出此时倾角约为25.8°；

当多模光纤接收到光功率大小为30，可知其倾斜方向向左，根据图像可知其竖直位移大小为1.4mm，R取50mm，r取48mm，根据公式，可计算得到倾角大小为20.4°。

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 (8)

1.一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a：安装所需设备，所需设备为巷道倾角测斜仪，所述的巷道倾角测斜仪包括外壳(1)和位于外壳(1)内的测斜仪本体；

所述的测斜仪本体包括光纤集成探头(2)、反射镜(3)、活动板(4)、位移转换块(8)、主轴(10)以及配重块(11)；

所述的光纤集成探头(2)安装在所述外壳(1)的顶盖的内壁，所述的光纤集成探头(2)包括一根单模光纤和一根多模光纤，所述的单模光纤用于与光源连接，所述的多模光纤用于与光探测器连接；

所述的反射镜(3)位于所述的活动板(4)上，且与所述的光纤集成探头(2)相对设置；

b：测量倾角

将所述的巷道倾角测斜仪放置于待测物体表面，当倾角发生变化时，所述的配重块(11)带动主轴(10)一直呈竖直状态，此时推动所述的活动板(4)，上移或者下移，从所述的光纤集成探头(2)发出的光经所述的反射镜(3)反射至多模光纤，由于反射镜(3)随着活动板(4)进行上下移动，使得多模光纤接收到的光功率发生变化，在位移转换块(8)的作用下，当主轴(10)左旋时，所述的活动板(4)向下移动，此时倾角大小θ按照式(1)计算：

式(1)中：

R：主轴旋转时半径大小；

H：竖直位移变化，H根据光功率变化值P₀减去P₁求得，P₀为初始光功率大小，P₁为多模光纤接收到的光功率；

当主轴(10)右旋时，所述的活动板(4)向上移动，此时倾角大小θ按照式(2)计算：

式(2)中：

R：主轴旋转时半径大小；

r：位移转换块的弧形半径；

H：竖直位移变化，H根据光功率变化值P₀减去P₂求得，P₀为初始光功率大小，P₂为多模光纤接收到的光功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其特征在于：

多模光纤接收到的光功率P₁由式(3)计算得到：

多模光纤接收到的光功率P₂由式(4)计算得到：

式(3)和式(4)中：

k₁、k₂、k₃的值分别由式(5)、(6)、(7)计算得到

k₁＝P₀(1-c)[1+exp(a)]                          (5)

k₂＝P₀(1-c)                                 (6)

k₃＝tan[sin^-1(NA/n₀)]                           (7)

式(5)、(6)、(7)中：

a为多模光纤纤芯半径，NA为多模光纤的数值孔径，n₀为光纤外介质的折射率，c代表接收光纤末端的菲涅尔反射，P₀为初始光功率大小，k₁、k₂均为多模光纤中与结构设定相关的常数，k₃为多模光纤中与模式功率分布相关的常数。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其特征在于：所述的位移转换块(8)位于活动板(4)的下方，且位移转换块(8)包括水平部和弧形部，水平部与活动板(4)平行，弧形部向靠近活动板(4)的一侧凸起，且弧形部的最高点位与滚动轴承(9)处；

所述的弧形部的半径小于所述的主轴(10)的摆动半径；

在所述的主轴(10)的中上部设置有固定轴承(6)，所述的固定轴承(6)的两端固定在所述的外壳(1)的前、后壁上。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射式光纤的倾斜角度测量方法，其特征在于：所述的活动板(4)横向安装在所述的外壳(1)内，在所述的活动板(4)与外壳(1)的顶盖的内壁之间设置有弹簧(7)，所述的弹簧(7)设置有两组，两组弹簧(7)以集成光纤探头为中心，呈对称设计，在左端的弹簧(7)底部设置有用于平衡气压的小孔；

所述的主轴(10)的顶端通过滚动轴承(9)连接在所述的活动板(4)的下方，所述的主轴(10)的底端设置配重块(11)。

5.一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，包括外壳(1)和位于外壳(1)内的测斜仪本体，其特征在于：

所述的测斜仪本体包括光纤集成探头(2)、反射镜(3)、活动板(4)、位移转换块(8)、主轴(10)以及配重块(11)；

所述的光纤集成探头(2)安装在所述外壳(1)的顶盖的内壁，所述的光纤集成探头(2)包括一根单模光纤和一根多模光纤，所述的单模光纤用于与光源连接，所述的多模光纤用于与光探测器连接；

所述的反射镜(3)位于所述的活动板(4)上，且与所述的光纤集成探头(2)相对设置；

所述的活动板(4)横向安装在所述的外壳(1)内，在所述的活动板(4)与外壳(1)的顶盖的内壁之间设置有弹簧(7)，所述的弹簧(7)设置有两组，两组弹簧(7)以集成光纤探头为中心，呈对称设计，在左端的弹簧(7)底部设置有用于平衡气压的小孔；

所述的主轴(10)的顶端通过滚动轴承(9)连接在所述的活动板(4)的下方，所述的主轴(10)的底端设置所述的配重块(11)；在所述的主轴(10)的中上部设置有固定轴承(6)，所述的固定轴承(6)的两端固定在所述的外壳(1)的前、后壁上；

所述的位移转换块(8)位于活动板(4)的下方，且所述的位移转换块(8)包括水平部和弧形部，所述的水平部与活动板(4)平行，所述的弧形部向靠近活动板(4)的一侧凸起，且所述的弧形部的最高点位与所述的滚动轴承(9)处；

所述的弧形部的半径小于所述的主轴(10)的摆动半径。

6.根据权利要求5所述的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，其特征在于：所述的反射镜(3)表面进行镀银处理。

7.根据权利要求5所述的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，其特征在于：所述的活动板(4)的边缘与所述的外壳(1)的内壁紧密接触并且可沿着外壳(1)的内壁可上下自由滑动。

8.根据权利要求5所述的一种基于反射式光纤的巷道倾角测斜仪，其特征在于：所述的反射镜(3)粘接在所述的活动板(4)上。

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