CN210426521U - 基于光纤光栅的沉降监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光纤光栅的沉降监测装置，属于传感技术领域，包括支撑杆、设置在支撑杆上的多个监测管、一一对应地设置于多个监测管底部的多个受力环，以及一一对应地设置于多个监测管内的多个光纤光栅；支撑杆的底部设置有用于插入基岩内的固定头；各受力环能够随着相应土层的下沉相对相应监测管向下移动；各光纤光栅一端分别与相应监测管固定连接，另一端分别与相应受力环连接；各光纤光栅用于与监测管连接的一端还分别与光纤连接，光纤用于与光纤光栅解调仪连接以将光栅的变形信号传递给光纤光栅解调仪。本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置，能够同时监测多个土层的沉降量。

Description

基于光纤光栅的沉降监测装置

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，更具体地说，是涉及一种基于光纤光栅的沉降监测装置。

背景技术

随着我国施工技术的不断发展，我国的铁路大量采用高架桥的形式来减少占地面积，当列车以及各种交通工具在路上运行时，路基会产生较大的压力，进而对土层产生压力使之发生沉降，影响道路的寿命以及行车安全。除上述因素外，实际生活中还有多种因素可导致路基沉降，为保证车辆的安全运行，对路基进行沉降监测就显得尤为重要。

传统的沉降传感器测量精度低，受环境因素影响大，自动化程度和测量精度都不能达到要求。因此，越来越多的监测部门采用精度更高、受环境影响较小的光纤光栅传感器进行路基沉降监测。

但在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中存在至少如下问题：目前的光纤光栅沉降测量装置，只能测量路基的总体沉降，不能同时监测多层土壤的沉降情况。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种基于光纤光栅的沉降监测装置，旨在解决目前的光纤光栅沉降测量装置，只能测量路基的总体沉降，不能同时监测多层土壤的沉降情况的技术问题。

一方面，提供了一种基于光纤光栅的沉降监测装置，包括：支撑杆，底部设置有用于插入基岩内的固定头；

多个监测管，设置在所述支撑杆上；

多个受力环，一一对应地设置于所述多个监测管的底部；各所述受力环能够随着相应土层的下沉相对相应监测管向下移动；以及

多个光纤光栅，一一对应地设置于所述多个监测管内；各所述光纤光栅一端分别与相应监测管的上部固定连接，另一端分别与相应受力环连接；各所述光纤光栅用于与所述监测管的上部连接的一端还分别与光纤连接，所述光纤用于与光纤光栅解调仪连接以将所述光栅的变形信号传递给所述光纤光栅解调仪。

作为本申请另一实施例，还包括：

多个弹性件，一一对应地套设于所述多个光纤光栅外；各所述弹性件的一端与相应监测管的顶部、相应光纤光栅的顶部分别固定连接，另一端与相应受力环、相应光纤光栅的底部分别固定连接。

作为本申请另一实施例，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个预紧力环，一一对应地设置于所述多个监测管的顶部，用于与相应受力环配合拉直相应弹性件；所述预紧力环与相应弹性件的顶部螺纹连接。

作为本申请另一实施例，所述预紧力环与所述监测管的顶部螺纹连接，各所述弹性件的底部与相应受力环螺纹连接；所述弹性件的顶部和底部的螺纹方向相反。

作为本申请另一实施例，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个固定环，设置在所述支撑杆的外壁上，与所述多个监测管一一对应，各所述固定环分别用于将相应监测管固定于所述支撑杆上；以及

多个锁紧件，与所述多个固定环一一对应，用于锁定所述固定环与相应监测管的相对位置。

作为本申请另一实施例，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

温度补偿光栅，插设于所述支撑杆内。

作为本申请另一实施例，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个连接管，与所述多个监测管一一对应，用于将相应监测管分别与所述支撑杆连通，形成供相应光纤由相应监测管进入所述支撑杆的通道。

作为本申请另一实施例，所述支撑杆包括第一杆体、设置在所述第一杆体的上方并与所述第一杆体可拆卸连接的第二杆体，以及设置在所述第二杆体顶部的端盖，所述固定头设置在所述第一杆体的底部。

作为本申请另一实施例，所述固定头与所述第一杆体可拆卸连接。

作为本申请另一实施例，所述第一杆体为至少两个，至少两个所述第一杆体首尾相接组成连接杆，所述连接杆的一端与所述固定头可拆卸连接，另一端与所述第二杆体可拆卸连接。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，在一个支撑杆上设置了多个监测管，实现了多个土层沉降情况的同时监测。固定头的设置避免了测试过程中沉降监测装置整体发生沉降，进而保证了各监测管监测结果的准确性。光纤光栅设置在监测管内一方面降低了监测过程中光纤光栅被外物损坏的风险；另一方面使得光纤光栅发生应变不是土层发生沉降外的因素造成，保证了沉降监测装置监测结果的准确性。综上所述，本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置具有测量精度高，操作简单、结构简单、成本低等优点，可以对多层土壤同时进行监测，将本实施例提供的沉降监测装置安装在铁路、公路等路基沉降易发区域，可精确测量地基沉降量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的使用状态结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的主视结构示意图；

图4为图3所示的基于光纤光栅的沉降监测装置沿图3中A-A线的剖视结构图；

图5为图4中的B处的局部放大结构示意图。

图中：10、支撑杆；11、第一杆体；12、第二杆体；13、端盖；20、固定头；21、锁紧件；22、温度补偿光栅；23、连接管；30、监测管；40、受力环；50、光纤光栅；60、光纤；70、弹性件；80、预紧力环；90、固定环。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请一并参阅图1至图4，现对本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置进行说明。所述基于光纤光栅的沉降监测装置，包括支撑杆10、设置在支撑杆10上的多个监测管30、一一对应地设置于多个监测管30底部的多个受力环40，以及一一对应地设置于多个监测管30内的多个光纤光栅50。

支撑杆10的底部设置有用于插入基岩内的固定头20。各受力环40能够随着相应土层的下沉相对相应监测管30向下移动。各光纤光栅50的一端分别与相应监测管30的上部固定连接，另一端分别与相应受力环40连接。各光纤光栅50用于与监测管30的上部连接的一端还分别与光纤60连接，光纤60用于与光纤光栅解调仪连接以将光栅的变形信号传递给光纤光栅解调仪。

为便于描述，下文中部分内容将“基于光纤光栅的沉降监测装置”简称为“沉降监测装置”。

沉降监测装置现场实施方案如下：根据监测土体层数以及土体厚度组装合适的沉降监测装置。现场监测时，先在支撑杆10上根据每层土壤的深度做上标记，将监测管30安装于支撑杆10上，使得监测管30上的受力环40正好对准待测土层对应的标记。之后将沉降监测装置竖直埋置于土体中，使位于支撑杆10底部的固定头20插入监测土体最底层底面较为坚固的基岩上，以防止监测过程中沉降监测装置整体发生沉降。

具体地，待测土层有几个，即可在支撑杆10上安装几个监测管30，一个监测管30用于监测一个土层的沉降量。

当其中一个土层发生沉降变形时，受力环40受到相应土层的下压力，随土层向下移动，从而带动光纤光栅50向下拉伸，光纤60则将光纤光栅50发生应变的信号传输至光纤光栅解调仪。监测人员再经光纤光栅解调仪接收到的信号分析得出相应土层的沉降量，具体过程如下：

经光纤光栅解调仪得出光纤光栅50发生应变后其中心波长的位移量，记为Δλ_B。根据公式Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε，可得出

式中λ_B为光栅中心波长，P_e＝0.22。再根据公式

可得Δl＝εl，其中Δl就是弹性体的形变量即沉降量，l是原长。综上所述，经过上述计算便可经Δλ_B计算得出土层的沉降量。

本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置，与现有技术相比，在一个支撑杆10上设置了多个监测管30，实现了多个土层沉降情况的同时监测。固定头20的设置避免了测试过程中沉降监测装置整体发生沉降，进而保证了各监测管30监测结果的准确性。光纤光栅50设置在监测管30内一方面降低了监测过程中光纤光栅50被外物损坏的风险；另一方面使得光纤光栅50发生应变不是土层发生沉降外的因素造成，保证了沉降监测装置监测结果的准确性。综上所述，本实用新型实施例提供的基于光纤光栅的沉降监测装置具有测量精度高，操作简单、结构简单、成本低等优点，可以对多层土壤同时进行监测，将本实施例提供的沉降监测装置安装在铁路、公路等路基沉降易发区域，可精确测量地基沉降量。

请一并参阅图1至图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，受力环40包括与光纤光栅50连接的连接部和用于与土壤接触的受力部，连接部延伸至监测管30内，受力部水平向外延伸至监测管30的一侧，用于与土壤接触，并便于土层下移时向受力部施加向下的压力，进而保证受力环40随土层沉降而下移。

请参阅图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，基于光纤光栅的沉降监测装置还包括一一对应地套设于多个光纤光栅50外的多个弹性件70。各弹性件70的一端与相应监测管30的上部、相应光纤光栅50的顶部分别固定连接，另一端与相应受力环40、相应光纤光栅50的底部固定连接。

光纤光栅50通过套设在其外的弹性件70与监测管30的顶部和受力环40分别连接。

当受力环40随土层下移时，拉动相应弹性件70发生形变，光纤光栅50随弹性件70的形变而形变。这样可有效避免土层沉降量过大时将光纤光栅50拉断的现象发生，对光纤光栅50起到了保护作用，延长了沉降监测装置的使用寿命。

本实施例利用弹性件70的拉伸变化引起光纤光栅50的应变和波长变化，从而由波长变化可精确测量路基的沉降量。整个装置具有安装简便、成本低、精度高等优点，便于进行大规模应用。

具体地，弹性件70可采用热塑性弹性体TPE软管，或其他材质能够起到上述功能的弹性管。

请参阅图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，监测管30为金属管，弹性件70和金属管对光纤光栅50起到了双重保护作用，这样既可以保证在监测过程或移动过程中光纤光栅50不会被损坏，又可以保证测量的是相应土层沿竖直方向的沉降量。

请参阅图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，弹性件70的两端通过胶水与光纤光栅50的两端固定连接，可以使光纤光栅50产生的应变更准确。

请一并参阅图1至图5，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，基于光纤光栅的沉降监测装置还包括一一对应地设置于多个监测管30的顶部的多个预紧力环80，多个预紧力环80用于与相应受力环40配合拉直相应弹性件70，预紧力环80与相应弹性件70的顶部螺纹连接。

组装监测管30时，先将光纤光栅50插入弹性件70内，并将光纤光栅50的两端与弹性件70的两端固定，之后将弹性件70的底端与受力环40固定连接，再将弹性件70由监测管30的底部插入，使得弹性件70的顶端与预紧力环80相接，之后转动弹性件70，直至受力环40与监测管30抵接，且弹性件70拉直。

预紧力环80与受力环40相互配合能够实现弹性件70的拉直，进而保证了沉降监测装置监测结果的准确性。

具体地，预紧力环80可固定设置在监测管30的顶部、与监测管30转动连接或可拆卸连接，只要能实现上述功能即可，在此不做限制。

作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，预紧力环80与监测管30的顶部螺纹连接，各弹性件70的底部与相应受力环40螺纹连接；弹性件70的顶部和底部的螺纹方向相反。

预紧力环80与监测管30螺纹连接，使得弹性件70与受力环40连接后，可直接将弹性件70插入监测管30，直至受力环40与监测管30抵接，之后再将预紧力环80套设至弹性件70的顶部，并向下旋转预紧力环80，直至弹性件70拉直且预紧力环80与监测管30螺接到位。

受力环40与弹性件70螺纹连接，实现了受力环40与弹性件70的可拆卸连接，便于弹性件70或受力环40发生损坏后对相应部件进行单独更换，进而提高了沉降监测装置维修的便捷性，且降低了维修成本。

弹性件70的顶部和底部的螺纹方向相反，使得弹性件70与预紧力环80螺纹连接时，不会影响弹性件70与受力环40连接关系的稳定性。

请一并参阅图1至图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，基于光纤光栅的沉降监测装置还包括多个固定环90和与多个固定环90一一对应的多个锁紧件21。多个固定环90设置在支撑杆10的外壁上，与多个监测管30一一对应，各固定环90分别用于将相应监测管30固定于支撑杆10上。多个锁紧件21用于锁定固定环90与相应监测管30的相对位置。

组装沉降监测装置时，先在支撑杆10上根据每层土壤的深度做上标记，之后在标记的上方安装固定环90，之后将监测管30插入固定环90内，调整测试环与固定环90的相对位置，使得监测管30底部的受力环40与标记对准，之后通过锁紧件21锁定监测管30与固定环90的相对位置。

其中，固定环90可以将单个监测管30、受力环40和光纤光栅50组成的沉降传感器任意固定在支撑杆10上，组成本实施例提供的沉降监测装置。这样使整体变得更加灵活，既可以同时对同一地点的多层土壤进行监测分析，又可以根据被测土体深度改变沉降传感器的位置。

具体地，固定环90可与支撑杆10焊接、套接、胶接等，只要能实现上述功能即可，在此不做限制。锁紧件21可以为螺栓、胶水等，只要能实现上述功能即可，在此不做限制。

请一并参阅图1至图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，基于光纤光栅的沉降监测装置还包括插设于支撑杆10内的温度补偿光栅22。

温度补偿光栅22的设置可以有效消除土体温度对监测结果的不良影响，使测量数据更加准确。

请一并参阅图1至图5，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，基于光纤光栅的沉降监测装置还包括与多个监测管30一一对应的多个连接管23，用于将相应监测管30分别与支撑杆10连通，形成供相应光纤60由相应监测管30进入支撑杆10的通道。

组装沉降监测装置时，光纤60依次穿过监测管30的顶板、连接管23、支撑杆10的顶板延伸至支撑杆10外。

连接管23的设置避免了光纤60直接与土接触，且避免了光纤60在土的压力下发生断裂的现象发生，保证了信号的稳定传输。

请一并参阅图1至图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，支撑杆10包括第一杆体11、设置在第一杆体11上方并与第一杆体11可拆卸连接的第二杆体12，以及设置在第二杆体12顶部的端盖13，固定头20设置在第一杆体11的底部。

第一杆体11与第二杆体12可拆卸连接，一方面使得当某一杆体发生损坏后，可单独对相应杆体进行更换；另一方面便于支撑杆10的携带、运输。

请参阅图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，固定头20与第一杆体11可拆卸连接。

固定头20与第一杆体11可拆卸连接，一方面使得固定头20或第一杆体11发生损坏后，可单独对相应部位进行更换；另一方面便于沉降监测装置的运输和移动。

请参阅图4，作为本实用新型提供的基于光纤光栅的沉降监测装置的一种具体实施方式，第一杆体11为至少两个，至少两个第一杆体11首尾相接组成连接杆，连接杆的一端与固定头20可拆卸连接，另一端与第二杆体12可拆卸连接。

第一杆体11的数量可根据土体的深度进行选择。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，包括：

支撑杆，底部设置有用于插入基岩内的固定头；

多个监测管，设置在所述支撑杆上；

多个受力环，一一对应地设置于所述多个监测管的底部；各所述受力环能够随着相应土层的下沉相对相应监测管向下移动；以及

多个光纤光栅，一一对应地设置于所述多个监测管内；各所述光纤光栅的一端分别与相应监测管的上部固定连接，另一端分别与相应受力环连接；各所述光纤光栅用于与所述监测管的上部连接的一端还分别与光纤连接，所述光纤用于与光纤光栅解调仪连接以将所述光栅的变形信号传递给所述光纤光栅解调仪。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，还包括：

多个弹性件，一一对应地套设于所述多个光纤光栅外；各所述弹性件的一端与相应监测管的上部、相应光纤光栅的顶部分别固定连接，另一端与相应受力环、相应光纤光栅的底部分别固定连接。

3.如权利要求2所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个预紧力环，一一对应地设置于所述多个监测管的顶部，用于与相应受力环配合拉直相应弹性件；所述预紧力环与相应弹性件的顶部螺纹连接。

4.如权利要求3所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于：所述预紧力环与所述监测管的顶部螺纹连接，各所述弹性件的底部与相应受力环螺纹连接；所述弹性件的顶部和底部的螺纹方向相反。

5.如权利要求1所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个固定环，设置在所述支撑杆的外壁上，与所述多个监测管一一对应，各所述固定环分别用于将相应监测管固定于所述支撑杆上；以及

多个锁紧件，与所述多个固定环一一对应，用于锁定所述固定环与相应监测管的相对位置。

6.如权利要求1所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

温度补偿光栅，插设于所述支撑杆内。

7.如权利要求1所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于，所述基于光纤光栅的沉降监测装置还包括：

多个连接管，与所述多个监测管一一对应，用于将相应监测管分别与所述支撑杆连通，形成供相应光纤由相应监测管进入所述支撑杆的通道。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于：所述支撑杆包括第一杆体、设置在所述第一杆体的上方并与所述第一杆体可拆卸连接的第二杆体，以及设置在所述第二杆体顶部的端盖，所述固定头设置在所述第一杆体的底部。

9.如权利要求8所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于：所述固定头与所述第一杆体可拆卸连接。

10.如权利要求9所述的基于光纤光栅的沉降监测装置，其特征在于：所述第一杆体为至少两个，至少两个所述第一杆体首尾相接组成连接杆，所述连接杆的一端与所述固定头可拆卸连接，另一端与所述第二杆体可拆卸连接。

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