CN116793238A - 基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法，涉及技裂缝监测技术领域，包括双向位移计和数据处理单元；双向位移计包括横向位移计和竖向位移计，横向位移计和纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝处，横向位移计和纵向位移计分别用于监测待监测裂缝的横向和纵向变形；在双向位移计和数据处理单元之间连接有数据采集单元，数据采集单元接收自数据处理单元发出的指令后采集经过横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，数据处理单元接收自数据采集单元发送的数据并将波长变化量转化为位移值，该位移装置能够监测二维方向的裂缝变形，适用于各种极端环境下掌握裂缝变形的大小和方向并实现实时精准监测。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝变形监测技术领域，尤其是涉及基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法。
背景技术
混凝土裂缝和结构缝多存在于各类水工建筑物、防渗墙、隧道，边坡支护结构中，以隧道衬砌变形监测为例，叙述裂缝变形监测双向位移计的技术方法。为了满足隧道安全开挖的需求，隧道衬砌变形分析与监测技术的研究已经成为土木工程领域重要课题之一。可靠有效的监测技术是隧道安全施工的保证，也是进行信息化设计与施工的前提。
目前裂缝变形监测的主要方法有人工观察法和差阻式、振弦式测缝计法，人工观察法误差较大而且费时费力，不适用于精细化变形监测需求。振弦式测缝计的工作原理是当被测结构物发生变形时将会带动测缝计变化，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，可测出被测结构物的变形。不管是差阻式或振弦式测缝计，都是电参数类传感器，在易燃易爆等极端环境下并不适用，而且测缝计只能监测单向变形，如需双向监测就得安装多只测缝计。
发明内容
本发明的目的在于提供基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法，以解决现有技术中现有裂缝变形监测只能检测一维变形且无法实时监测的技术问题。
本发明提供基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，包括双向位移计和数据处理单元；
所述双向位移计包括横向位移计和竖向位移计，所述横向位移计和所述纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝处，所述横向位移计和所述纵向位移计分别用于监测待监测裂缝的横向和纵向变形；
在所述双向位移计和数据处理单元之间连接有数据采集单元，所述数据采集单元接收自所述数据处理单元发出的指令后采集经过所述横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，所述数据处理单元接收自所述数据采集单元发送的数据并将波长变化量转化为位移值。
进一步地，所述横向位移计包括第一单向光纤光栅位移计和横向定位钢板，所述竖向位移计包括第二单向光纤光栅位移计和竖向定位钢板；
第一单向光纤光栅位移计和所述第二单向光纤光栅位移计以90度夹角布设并固定在待监测裂缝处，所述第一单向光纤光栅位移计和所述第二单向光纤光栅位移计均设置有伸缩测量杆，所述横向定位钢板和所述竖向定位钢板分别与其对应的所述伸缩测量杆滑动接触。
进一步地，所述数据采集单元包括FBG解调仪和铠装光纤，所述铠装光纤设置有两根，两根所述铠装光纤的一端分别与所述横向位移计以及所述竖向位移计一对一地连接，所述铠装光纤的通过复用技术合二为一并与FBG解调仪连接，所述FBG解调仪通过数据线与所述数据处理系统连接。
本发明还提供了一种利用上述双向位移装置进行裂缝变形监测的方法，包括如下步骤：
S1、针对每一个待监测裂缝，选择安装位置并做好记号；
S2、将双向位移计固定在直线段的一侧，以使得横向位移计和纵向位移计之间具有90度夹角；
S3、安装两块定位钢板，以使得所述横向位移计和纵向位移计的尾端一对一地与定位钢板连接；
S4、重复S1-S3直至所有的待监测裂缝双向位移计均安装完成后，采用多芯通讯光缆将所有双向位移计集中引入监测室并接入数据采集单元和数据处理单元进行测试；
S5、通过数据采集单元采集横向位移计和纵向位移计的光波波长变化量并发送至数据处理单元，数据处理单元解译后获得双向位移计所在直线段的获横向位移值和纵向位移值，并根据勾股定理计算出宽度方向的位移值
进一步地，在S2之前，还包括对定位钢板表面进行喷砂除锈，其中，除锈等级不低于Sa2.5级，喷砂除锈后的表面粗糙度为40～70μm
进一步地，在S4中，还包括每两个直线段共用一个集成线路位置，每间隔两个直线段预留用于存放光纤接续盒以及冗余的光纤引线的接线槽。
进一步地，在S5中，还包括，基于横向位移值和纵向位移值，根据勾股定理计算出待监测裂缝宽度方向的位移值。
进一步地，在S5中，还包括，在数据处理单元中设定临界阈值，当横向位移值或者纵向位移值超过临界阈值时发出预警信息。
进一步地，在S2中，竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装竖向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的50％。
进一步地，在S2中，横竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装横向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的80％。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用一套传感器实现双向位移监测，能够实时监测裂缝的轴向拉伸和竖向差异沉降，相比传统方式只能测试一个方向裂缝宽度变化，本发明能够同时测量X，Y两个方向的位移量dx和dy，根据勾股定理计算出裂缝真实位移量dc。
(2)一纤多用，有效解决了单根位移计线路冗杂繁多的问题。
(3)利用光纤传感技术，能够应用于复杂环境下的裂缝变形监测。检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，安全，实现对裂缝的高精度、无干扰测量。
(4)实现了对裂缝宽度和变化方向的实时监测，可以根据裂缝的二维变化进一步分析结构受力方向。裂缝发育最快，位移最大的方向往往就是拉应力主轴方向，也是拉应力最大的方向。裂缝位移监测结合应力分析为支护体系设计人员提供有效的量化参考数据，为科学、合理地设计各种支护体系打下了坚实基础。
(5)在裂缝发展初期，较难判断裂缝的真实走向，单向位移计的布设出现偏差时，测的真实裂缝跨度往往偏小，另一方面，双向位移计的精度高，可以在一定程度上辨别裂缝的方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的双向位移计的示意图；
图2是本发明提供的双向位移装置第一种布设图；
图3是本发明提供的双向位移装置第二种布设图双向位移装置的布设图；
图4是本发明提供的ΔL与Δλ关系拟合图；
图5是本发明提供的横向位移计L与S关系图；
图6是本发明提供的纵向位移计L与S关系图。
附图标记：
101、铠装光纤；102、双向位移计；103、夹具；104、竖向定位钢板；105、待监测裂缝；106、第一单向光纤光栅位移计；107、第二单向光纤光栅位移计；108、横向定位钢板；109、数据采集单元；110、数据处理单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
目前支护结构健康检测领域中亟待解决的重点难题在于：
一、提高裂缝变形的监测精度，监测过程自动化和系统化；
二、采用新型监测方法以适应易燃易爆等复杂环境下的监测需求；
三、同时监测多个维度的裂缝变形，精简设备的安装使用过程。
光纤传感是近年来迅速发展起来的一种以光纤为媒介，光为载体的新型传感技术，相比于传统的监测技术其具有灵敏度高、抗电磁干扰、监测距离长、成本低等一系列优点。
目前光纤传感已广泛应用于石油化工、航空航天、水利水电、土木、地质等工程领域。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)技术感测原理是利用光纤中反射光波长变化量和光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感，该关系可以表示为：
式中，Δλ为FBG波长变化量，ε为光纤轴向应变，ΔT为温度变化，Pe为光纤的弹光系数，α为光纤热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。通过内置温补光栅消除温度的影响，便可实现对应变的精准测量。本发明中的裂缝变形监测双向位移装置即据此原理制成。
下面结合图1至图3所示，本发明实施例提供了基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，包括双向位移计102和数据处理单元110；
所述双向位移计102包括横向位移计和竖向位移计，所述横向位移计和所述纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝处，这里的待监测裂缝包括各类混凝土裂缝和结构缝，所述横向位移计和所述纵向位移计分别用于监测待监测裂缝的横向和纵向变形；
在所述双向位移计102和数据处理单元110之间连接有数据采集单元109，所述数据采集单元109接收自所述数据处理单元110发出的指令后采集经过所述横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，所述数据处理单元110接收自所述数据采集单元109发送的数据并将波长变化量转化为位移值。
横向位移计和竖向位移计相结合，横向位移计能够测量裂缝X方向变形分量dx，竖向位移计测量裂缝Y方向变形分量dy。由两个相互垂直方向的变形分量根据勾股定理便能计算出真实变形量的大小和方向dc其关系为：dc^2＝dx^2+dy^2。
具体地，所述横向位移计包括第一单向光纤光栅位移计106和横向定位钢板108，所述竖向位移计包括第二单向光纤光栅位移计107和竖向定位钢板104；
第一单向光纤光栅位移计106和所述第二单向光纤光栅位移计107以90度夹角布设并固定在待监测裂缝处，所述第一单向光纤光栅位移计106和所述第二单向光纤光栅位移计107均为光纤光栅位移传感器，其设置有伸缩测量杆，所述横向定位钢板108和所述竖向定位钢板104均与其对应的所述伸缩测量杆滑动接触，伸缩测量杆采用顶针式原理设计，即位移计在测点与固定点有带弹簧的顶针，位移计内部用弹簧连接。当被测点发生位移时，顶针杆通过弹簧拉伸位移计内的顶针测杆，顶针测杆位置发生变化后，光纤内光信号也发生变化，再由数据采集单元109及数据处理单元110将光信号转变成位移值。
具体地，所述数据采集单元109主要为光纤光栅解调设备，例如包括FBG解调仪和铠装光纤101，所述铠装光纤101设置有两根，两根所述铠装光纤101的一端分别与所述横向位移计以及所述竖向位移计一对一地连接，所述铠装光纤101的通过复用技术合二为一并与FBG解调仪连接，同一根光纤上既能测量双向的位移变化量，所述FBG解调仪通过数据线与所述数据处理单元110连接。数据处理单元110可以是计算机数据处理软件，能够集中处理各裂缝线路集成后的解调数据。
通过光纤信号激发、感测解调系统实现对裂缝变形量的水平和竖直方向的测量，实现自动化监测。具体过程为：当裂缝发生横向或竖向变形时，裂缝计内光纤波长发生变化，解调仪测得波长变化并将变化信息发送至计算机。计算机数据处理软件对波长变化进行解译，根据位移公式计算出裂缝的位移值，最后根据临界阈值发送预警信息。整个监测过程无需人工干预，由计算机自主实施。
采用上述双向位移装置进行裂缝变形监测的方法，具体为：
步骤一、针对每一个待监测裂缝105，选择安装位置并做好记号；
步骤二，打孔安装夹具103以及横向定位钢板108和纵向定位钢板，所有材料的固定均采用化学栓螺，保证固定牢靠，后装定位钢板与混凝土刚性连接，光纤光栅位移计与混凝土采用夹具103实现刚性连接，光纤光栅位移传感器拉压杆端头与后装定位钢板为摩擦接触关系，在保持接触的前提下可以相对滑动，定位钢板必须清除表面所有的可溶盐、油脂、钻孔液，磨平焊缝和尖锐边缘，去除焊渣、切削液及其他污物。对钢板表面应进行喷砂除锈，其除锈等级不应低于Sa2.5级，喷砂除锈后的表面粗糙度宜为40～70μm。
步骤三，安装双向位移计102，以使得横向位移计和纵向位移计之间具有90度夹角然后用两个夹具103分别固定，使之不发生位移。当裂缝宽度变化时，定位钢板发生相对位移，带动位移计的伸缩测量杆伸长或压缩，导致经过位移计的光波波长发生变化，最后软件计算出位移大小。
步骤四，待所有待监测裂缝105处的双向位移计102安装完成后，采用多芯通讯光缆将所有双向位移计102集中引入监测室接入设备进行测试，通讯光缆放置在排水沟侧壁。待监测裂缝105双向位移计102每2个断面共用一个集成线路位置，即每间隔2个断面需要预留或刻槽一处空间，用来存放光纤接续盒以及冗余的光纤引线。
步骤五，FBG解调仪发出宽带光信号传输到检测光纤上，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，光波经复用技术经过横向和竖向位移计。在位移计内部检测光纤的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，回到同一根单模光纤中；当裂缝宽度变化时，导致检测光纤的谐振波长漂移，经过波长解调器对这些波长进行识别，监测出波长的变化即可转换为位移变化，当位移变化超过设定的临界阈值时，即发出预警信息。
具体地，在步骤三中，横向位移计和纵向位移计的布设可以是如图3所示的，一个垂直于裂缝的延伸方向，一个平行于裂缝的延伸方向，也可以采用如图2所示的布设方式，能够方便布线均可。
在一个具体的实施例中，隧道的不均匀沉降造成的待监测裂缝上下错动和温度变化引起的待监测裂缝张开闭合，在对这种不均匀变形(变形缝)进行监测时，采用光纤光栅位移传感器(刚性杆式)作为感测元件，在隧道主体结构施工完成后，一次性串联布设在隧道内。每处待监测裂缝105设置2个光纤光栅位移传感器，分别监测待监测裂缝105两侧隧道结构沿隧道纵向和竖向的相对位移。
设置竖向位移计前，人工把位移计压缩为满量程的50％，实际安装后的长度尺寸对应初始光纤光栅位移传感器尺寸减小50*50％＝25mm，实现待监测裂缝在105-100mm～100mm的竖向差异变形监测，然后装入固定夹具103内迅速旋紧固定螺栓，最后适当微调位移计以确保光线光栅位移传感器与活动端钢板垂直，并紧密贴合。
设置横向位移计前，人工把位移计压缩满量程的80％，实际安装后的长度尺寸对应传感器尺寸减小50*80％＝40mm，可以实现待监测裂缝105-20mm～200mm的压缩/张开变形监测，然后装入固定夹具103内迅速旋紧固定螺栓，最后适当微调位移计至设计状态。
解调仪波长变化Δλ与裂缝位移变化ΔL拟合关系如图5所示，由图5可知，横向和竖向光纤光栅位移传感器检测位移(ΔL)与位移波长变化量(Δλ)的线性拟合度R2为1.0000，即解调仪波长变化Δλ与裂缝位移变化ΔL具有线性关系，因此通过波长变化量计算得出的位移量精确。
证明支持材料-侧向滑移试验：
侧向滑移是指与位移监测方向相垂直方向上的滑动位移，容易影响监测结果的准确性。为了更加准确的确认该装置的适用性，开展侧向滑移试验。试验步骤如下：
(1)在标定试验台上安装光纤光栅位移传感器及光纤光栅解调仪系统。
按上述方法把光纤光栅位移传感器安装到标定架上，数显尺归零，光纤尾线接头接入解调仪内，同时打开光纤光栅解调仪。
(2)一切就绪后，记录数显测尺读数0，同时对应记录微型位移计和温补波长数值，作为初始值。
(3)在滑动板与传感器头部位置涂抹润滑油，在初始状态，沿顺时针方向缓慢匀速摇动手摇把手，以2mm为一级，每次增加2mm距离，使滑移台向左滑移，直到10mm为止，记录各级对应的数据。
(4)逆时针缓慢匀速摇动手摇把手，调整记录数显测尺读数0。以2mm为一级，逆时针每次增加2mm，使滑移台向右滑移，直到-10mm为止，记录各级对应的的数据。
(5)实验结束。
表一：横向位移传感器侧向滑移实验步骤(4)数据记录表
表二：纵向位移传感器侧向滑移实验步骤(4)数据记录表
由表一、表二以及图5和图6可以看出，横向和竖向光纤光栅位移传感器受侧向滑动的影响误差分别不大于0.20mm和0.21mm，在位移传感器测量精度范围内，侧向滑移不影响位移传感器测量精度。
解调仪波长变化Δλ与裂缝位移变化ΔL拟合关系如图5所示，由图5可知，横向和竖向光纤光栅位移传感器检测位移(ΔL)与位移波长变化量(Δλ)的线性拟合度R2为1.0000，可通过波长变化量计算得出的位移量精确。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，包括双向位移计(102)和数据处理单元(110)；
所述双向位移计(102)包括横向位移计和竖向位移计，所述横向位移计和所述纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝(105)处，所述横向位移计和所述纵向位移计分别用于监测待监测裂缝(105)的横向和纵向变形；
在所述双向位移计(102)和数据处理单元(110)之间连接有数据采集单元(109)，所述数据采集单元(109)接收自所述数据处理单元(110)发出的指令后采集经过所述横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，所述数据处理单元(110)接收自所述数据采集单元(109)发送的数据并将波长变化量转化为位移值。
2.根据权利要求1所述的基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，所述横向位移计包括第一单向光纤光栅位移计(106)和横向定位钢板(108)，所述竖向位移计包括第二单向光纤光栅位移计(107)和竖向定位钢板(104)；
所述第一单向光纤光栅位移计(106)和所述第二单向光纤光栅位移计(107)以90度夹角布设并固定在待监测裂缝(105)处，所述第一单向光纤光栅位移计(106)和所述第二单向光纤光栅位移计(107)均设置有伸缩测量杆，所述横向定位钢板(108)和所述竖向定位钢板(104)分别与其对应的所述伸缩测量杆滑动接触。
3.根据权利要求1所述的基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，所述数据采集单元(109)包括FBG解调仪和铠装光纤(101)，所述铠装光纤(101)设置有两根，两根所述铠装光纤(101)的一端分别与所述横向位移计以及所述竖向位移计一对一地连接，所述铠装光纤(101)通过复用技术合二为一并与FBG解调仪连接，所述FBG解调仪通过数据线与所述数据处理系统连接。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的双向位移装置进行裂缝变形监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、针对每一个待监测裂缝(105)，选择安装位置并做好记号；
S2、将双向位移计(102)固定在直线段的一侧，以使得横向位移计和纵向位移计之间具有90度夹角；
S3、安装两块定位钢板，以使得所述横向位移计和纵向位移计的尾端一对一地与定位钢板连接；
S4、重复S1-S3直至所有的待监测裂缝(105)双向位移计(102)均安装完成后，采用多芯通讯光缆将所有双向位移计(102)集中引入监测室并接入数据采集单元(109)和数据处理单元(110)进行测试；
S5、通过数据采集单元(109)采集横向位移计和纵向位移计的光波波长变化量并发送至数据处理单元(110)，数据处理单元(110)解译后获得双向位移计(102)所在直线段的获横向位移值和纵向位移值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S2之前，还包括对定位钢板表面进行喷砂除锈，其中，除锈等级不低于Sa2.5级，喷砂除锈后的表面粗糙度为40～70μm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S4中，还包括每两个直线段共用一个集成线路位置，每间隔两个直线段预留用于存放光纤接续盒以及冗余的光纤引线的接线槽。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S5中，还包括，基于横向位移值和纵向位移值，根据勾股定理计算出待监测裂缝(105)宽度方向的位移值。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S5中，还包括，在数据处理单元(110)中设定临界阈值，当横向位移值或者纵向位移值超过临界阈值时发出预警信息。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在，在S2中，竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装竖向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的50％。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S2中，横竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装横向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的80％。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310413360.3A CN116793238A (zh) | 2023-04-17 | 2023-04-17 | 基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117306610A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-29 | 中铁二十五局集团第一工程有限公司 | 一种装配式挡土墙安装方法 |
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- 2023-04-17 CN CN202310413360.3A patent/CN116793238A/zh active Pending
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