CN117346679B - 一种标定光纤与土体协变情况的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种标定光纤与土体协变情况的装置与方法，包括制样盒，顶板，加载装置，光纤传感器和激光位移传感器，所述制样盒内设置有套筒，所述套筒上设置有所述顶板，所述光纤传感器横向设置在所述套筒内，所述顶板上设置有通槽用于容纳所述加载装置在所述套筒内垂直施压，两个所述激光位移传感器设置在所述制样盒的两侧并位于同一水平面上。本发明通过同时监测光纤和土体的形变情况，当土体在从0加载至大应力的过程中受压时膨胀获取两者的协变信息；计算出光纤和土体的协变情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤标定装置技术，尤其涉及一种标定光纤与土体协变情况的装置与方法。
背景技术
光纤传感技术是一种基于光纤传感原理的应变测量技术，具有高精度、高灵敏度、长距离传输、抗干扰能力强、安全可靠等优势。在光纤传感领域中使用光纤直接测量土体的真实应变一直是一个技术难题。在使用光纤传感技术测量土工结构的变形、裂缝、应力等参数时，需要保证光纤与测量介质的紧密接触从而实现应变协调。现有的技术主要依赖于对光纤的机械应力或者温度变化进行标定，然而这些方法无法直接对光纤与土体之间的协变情况进行精确测量。由于土体的离散性，直接将光纤置于土体之中无法实现二者应变的协调，测量结果容易产生较大误差。因此，工程中往往通过对光纤表面的处理，如改变光纤表面的摩擦性质，使用错固结构等方法，增加光纤与土体的耦合，提升协变表现。然而，考虑到土体复杂的成分、含水量、应力状态等情况，在测量土体应变时，各种光纤处理方法的有效性与适用性需要检验。因此，有必要开发一种标定光纤与土体协变情况的装置与方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种标定光纤与土体协变情况的装置与方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明包括制样盒，顶板，加载装置，光纤传感器和激光位移传感器，所述制样盒内设置有套筒，所述套筒上设置有所述顶板，所述光纤传感器横向设置在所述套筒内，所述顶板上设置有通槽用于容纳所述加载装置在所述套筒内垂直施压用以通过标定系数k计算土体真实应变，两个所述激光位移传感器设置在所述制样盒的两侧并位于同一水平面上。
进一步地，所述激光位移传感器为至少一对或者多对。
进一步地，所述激光位移传感器通过安装支架固定在底板上。
进一步地，所述套筒和制样盒上设有光纤穿透孔。
进一步地，所述的加载装置包括加载板和加载杆，所述加载杆的一端与所述加载板连接，所述加载板的另一端与外接的压力输出装置连接。
一种标定光纤与土体协变情况的方法，包括以下步骤
A制备试验用土样，将制样盒固定在底板上，将薄壁套筒放在制样盒中，采用落砂法或压实法分层填筑土体；
B当所述土体填筑到所述光纤传感器的预设位置时，将所述光纤传感器铺设于土中；
C待所述光纤传感器铺设完毕后，将所有光纤采用串联的方式相互连接，并采用传输光纤接到光纤解调仪接口上,在填筑完成的土体底部安装支架与激光位移传感器，保证激光位移传感器与光纤传感器处于同一条直线上；
D对所述土体设置加压压力使垂直荷载缓慢增加至预设值，记录薄壁套筒的直径变化数据和土体应变数据；
E通过所述直径变化数据和土体应变数据计算标定系数，并通过所述标定系数对光纤测量应变值进行标定，计算公式为：
其中，ΔL1为两组激光位移传感器测得的薄壁套筒直径变化；D为薄壁套筒直径，εo(l)光纤应变传感器在l方向上不同位置的应变。
进一步地，通过标定系数k土体真实应变，所述土体的真实应变的计算公式为：
ε土＝ε光纤×k
其中，ε土为土体的真实应变；ε光纤为光纤传感器测得的应变；k为标定参数。
进一步地，多组激光位移传感器的数值差距应小于2％。
进一步地，在步骤B中，将含水的土体放入薄壁套筒内逐层压实，压实到一半高度时，将光纤传感器沿光纤布设方向横向放于薄壁套筒中最后将上层土压实。
本发明的有益效果是：
本发明通过同时监测光纤和土体的形变情况，当土体在从0加载至大应力的过程中受压时膨胀获取两者的协变信息；计算出光纤和土体的协变情况。
附图说明
图1是本发明标定光纤与土体协变情况的方法的流程示意图；
图2是本发明标定光纤与土体协变情况的装置的立体示意图；
图3是本发明标定光纤与土体协变情况的装置的俯视示意图；
图4是本发明标定光纤与土体协变情况的装置的侧视示意图；
图中：1-制样盒,2-加载装置,3-顶板,4-安装支架,5-激光位移传感器,6-底板,7-套筒,8-光纤传感器,9-光纤穿透孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1-4所示，本发明包括制样盒1，顶板3，加载装置2，光纤传感器8和激光位移传感器5，所述制样盒1内设置有套筒7，所述套筒7上设置有所述顶板3，所述光纤传感器8横向设置在所述套筒7内，所述顶板3上设置有通槽用于容纳所述加载装置2在所述套筒7内垂直施压，两个所述激光位移传感器5设置在所述制样盒1的两侧并位于同一水平面上。
在本实施例子中，所述激光位移传感器5为两对。
在本实施例子中，所述激光位移传感器5通过安装支架4固定在底板6上。
在本实施例子中，所述套筒7和制样盒1上均设有光纤穿透孔9。
在本实施例子中，所述的加载装置包括加载板和加载杆，所述加载杆的一端与所述加载板连接，所述加载板的另一端与外接的压力输出装置连接。
一种标定光纤与土体协变情况的方法，包括以下步骤
A制备试验用土样，将制样盒固定在底板上，将薄壁套筒放在制样盒中，采用落砂法或压实法分层填筑土体；
B当所述土体填筑到所述光纤传感器的预设位置时，将所述光纤传感器铺设于土中；
C待所述光纤传感器铺设完毕后，将所有光纤采用串联的方式相互连接，并采用传输光纤接到光纤解调仪接口上,在填筑完成的土体底部安装支架与激光位移传感器，保证激光位移传感器与光纤传感器处于同一条直线上。
D对所述土体设置加压压力使垂直荷载缓慢增加至预设值，记录激光位移传感器s1与s2的读数变化之和ΔL1与光纤传感器在同一位置上记录的应变εo；
E计算所述土体的标定系数，计算公式为：
其中，ΔL1为两组激光位移传感器测得的薄壁套筒直径变化；D为薄壁套筒直径，εo(l)光纤应变传感器在l方向上不同位置的应变。
在本实施例子中，通过标定系数k土体真实应变，所述土体的真实应变的计算公式为：
ε土＝ε光纤×k
其中，ε土为土体的真实应变；ε光纤为光纤传感器测得的应变；k为标定参数。
其中，ΔL1为两组激光位移传感器测得的薄壁套筒直径变化；D为薄壁套筒直径，εo(l)光纤传感器上各点应变。
在本实施例子中，多组激光位移传感器的数值差距应小于2％。
在本实施例子中，在步骤B中，将一定含水率的土体放入薄壁套筒内逐层压实，压实到一半高度时，将光纤传感器沿光纤布设方向横向放于薄壁套筒中最后将上层土压实。
光纤传感器利用传感光纤具有的信息高速传输性能与可埋入性能,埋入待变形监测的土体中,利用传感光纤的耐腐蚀以及耐高温特性,令土体变形监测更加可靠,利用光纤传感器的输出信号展示待测量土体在空间以及时间上的变化,光纤传感器输出的光信号沿光纤前向传输,将光纤传输距离与光波传输速度结合,监测土体变形的具体情况。
试验中总共施加了五级荷载，荷载分别为20kPa、50kPa、100kPa、150kPa、以及250kPa。利用薄筒圆管内部受压时膨胀的原理，用如下公式对土样受到竖向荷载时产生的径向变形进行计算：其中，ε为径向应变，D为薄壁套筒的直径，P为土体的横向应力，E为薄壁套筒的弹性模量，t为薄壁套筒的厚度。在直径D与套筒弹性模量E固定的情况下，通过改变厚度可以实现不同应力范围的标定。试验设计保证了在最大竖向荷载250kPa时，计算薄壁圆筒内部受压时产生的理论形变不应超过光纤传感器的1％应变量程，因此试验中使用的薄壁套筒的材料为聚四氟乙烯，弹性模量E为1GPa,厚度t为2mm：每施加一级荷载，采用激光位移传感器在模型箱前后两侧壁外进行连续通过处理软件进行分析，得到侧壁土体的水平向线应变云图，将监测得到的土体应变与激光传感器处理得到的侧壁对应点土体的应变进行对比分析，可对光纤监测结果进行标定，本实施例中光纤应变标定系数k与荷载的关系式为k＝-0.0015σv+1.526。得到标定系数k后，即可对实际工程中不同应力情况下光纤测量的应变进行标定，提高测量准确度。
当实际工况中土体荷载为500kPa,1000kPa时，为避免标定时应变超出光纤传感器量程，增加薄壁套筒厚度至4mm,8mm。
本发明中数据采集模块负责实时监测光纤和土体的形变情况，并将数据输入到数据处理模块；数据处理模块则对输入的数据进行处理和分析，计算出光纤和土体的协变情况，并将结果输出到输出模块；数据采集模块包括两个独立的监测子模块，分别用于监测光纤和土体的形变情况，数据处理模块包括一个数据分析和处理单元，该单元能够根据监测子模块输入的数据计算出光纤和土体的协变情况。
本发明的装置能够同时监测光纤和土体的形变情况，获取两者的协变信息；能够实时计算出光纤和土体的协变情况，具有可视化输出功能，能够将协变情况以直观的方式呈现给用户,受压时膨胀的原理，使土体在从0加载至大应力的过程中，光纤传感器读数不会超出量程。通过改变薄壁圆筒的厚度与材质，可以改变校准的应力范围。
为了验证光纤监测结果的准确性，将监测得到的土体应变与激光传感器处理得到的侧壁对应点土体的应变进行对比分析。通过对比分析，得出光纤应变标定系数与竖向荷载的关系为k＝-0.0015σv+1.526。
除此之外，还监测了砂土地基模型在各级荷载下不同部位土体的应变时程曲线通过对比分析，发现砂土地基模型在各级荷载作用下的应变时程曲线呈现出相似的变化趋势。在加载初期，应变迅速增加，随着荷载的增加，应变增加速度逐渐减缓，当荷载达到某一阈值时，应变增加速度明显减慢，并逐渐趋于稳定，不同部位土体的应变时程曲线存在差异。靠近模型底部和侧壁的土体应变较小，而中间部分的土体应变较大。通过对比分析，发现光纤监测结果与激光传感器处理得到的侧壁对应点土体的应变结果基本一致。
为了实现实时监测，需要设计高效的数据采集模块，并优化各监测子模块的性能参数。数据处理模块的算法实现：数据处理模块需要采用先进的数据分析算法，准确地计算出光纤和土体的协变情况，本发明利用泊松效应，通过改变薄壁套筒的厚度，对不同应力下光纤进行标定。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种标定光纤与土体协变情况的装置，包括制样盒和顶板，其特征在于：包括加载装置，光纤传感器和激光位移传感器，所述制样盒内设置有套筒，所述套筒上设置有所述顶板，所述光纤传感器横向设置在所述套筒内，所述顶板上设置有通槽用于容纳所述加载装置在所述套筒内垂直施压用以通过标定系数计算土体真实应变，两组所述激光位移传感器设置在所述制样盒的两侧并位于同一水平面上，所述套筒和制样盒上设有光纤穿透孔，所述的加载装置包括加载板和加载杆，所述加载杆的一端与所述加载板连接，所述加载板的另一端与外接的压力输出装置连接，所述标定系数对光纤测量应变值进行标定，计算公式为：
其中，ΔL1为两组激光位移传感器测得的薄壁套筒直径变化；D为薄壁套筒直径，εo(l)光纤传感器在l方向上不同位置的应变。
2.根据权利要求1所述的一种标定光纤与土体协变情况的装置，其特征在于：所述激光位移传感器为至少两组。
3.根据权利要求1所述的一种标定光纤与土体协变情况的装置，其特征在于：所述激光位移传感器通过安装支架固定在底板上。
4.一种标定光纤与土体协变情况的方法，根据权利要求1所述装置实现，其特征在于：
A制备试验用土样，将制样盒固定在底板上，将薄壁套筒放在制样盒中，采用落砂法或压实法分层填筑土体；
B当所述土体填筑到光纤传感器的预设位置时，将所述光纤传感器铺设于土中，待所述光纤传感器铺设完毕后，将所有光纤传感器通过传输光纤接到外接设备光纤解调仪接口上；
C在填筑完成的土体底部安装支架与激光位移传感器，保证多组激光位移传感器与光纤传感器处于同一条直线上；
D对所述土体设置加压压力使垂直荷载缓慢增加至预设值，记录薄壁套筒的直径变化数据和土体应变数据；
E通过所述直径变化数据和土体应变数据计算标定系数，并通过所述标定系数对光纤测量应变值进行标定，计算公式为：
其中，ΔL1为两组激光位移传感器测得的薄壁套筒直径变化；D为薄壁套筒直径，εo(l)光纤传感器在l方向上不同位置的应变。
5.根据权利要求4所述的一种标定光纤与土体协变情况的方法，其特征在于：通过标定系数k计算土体真实应变，所述土体的真实应变的计算公式为：
ε土＝ε光纤×k
其中，ε土为土体的真实应变；ε光纤为光纤传感器测得的应变；k为标定参数。
6.根据权利要求4所述的一种标定光纤与土体协变情况的方法，其特征在于：多组所述激光位移传感器的数值差距应小于2％。
7.根据权利要求4所述的一种标定光纤与土体协变情况的方法，其特征在于：在步骤B中，将含水的土体放入薄壁套筒内逐层压实，压实到一半高度时，将光纤传感器沿光纤布设方向横向放于薄壁套筒中最后将上层土压实。
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