CN210603283U

CN210603283U - 一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置

Info

Publication number: CN210603283U
Application number: CN201921214048.7U
Authority: CN
Inventors: 肖桂元; 徐光黎; 叶子明; 胡挺; 李知翰
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-07-30

Abstract

本实用新型提供一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，包括光纤光栅沉降计、钢槽滑轨、沉降杆、沉降板、补水箱、光纤光栅解调仪和终端处理设备，所述光纤光栅沉降计与钢槽滑轨活动连接，所述钢槽滑轨连接在沉降杆上，所述沉降板连接在沉降杆的下方，且所述沉降板被埋设在土体中，所述补水箱与光纤光栅沉降计连通，所述光纤光栅解调仪的输入端与光纤光栅沉降计电连接，所述光纤光栅解调仪的输出端与终端处理设备电连接。本实用新型提供的路基沉降监测装置具有抗电磁干扰，灵敏度高、测试精度高、耐久性强等优点，可以对路基沉降进行实时动态监测。

Description

一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置

技术领域

本实用新型涉及公路以及铁路路基沉降变形监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置。

背景技术

近年来，随着高速铁路与公路的不断建设，对高速铁路和公路的安全性、舒适性和耐久性要求日益提高，对路基沉降也提出了更为严格的要求。路基的不均匀沉降会导致路面开裂，道路边坡崩塌等工程问题，严重威胁公路以及铁路的运营安全。因此，路基沉降监测成为工程建设中必不可少的一个环节。进行路基的沉降监测对防止路基不均匀沉降、桥头跳车、路基边坡失稳等常见工程问题起着关键作用。

常用的沉降监测方法主要适用于施工期间沉降监测，不适用于已经开通运营的线路。一般的电类传感器普遍存在寿命短、易受环境影响、电磁干扰、不能实时在线监测等缺点，其测量精度与使用条件受限。而人工沉降检测的效率较低，检测频次有限，误差较大，无法满足运营线路实时在线监测的要求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，该路基沉降监测装置具有抗电磁干扰，灵敏度高、测试精度高、耐久性强等优点，可以对路基沉降进行实时动态监测。

本实用新型提供一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，包括光纤光栅沉降计、钢槽滑轨、沉降杆、沉降板、补水箱、光纤光栅解调仪和终端处理设备，所述光纤光栅沉降计与钢槽滑轨活动连接，所述钢槽滑轨连接在沉降杆上，所述沉降板连接在沉降杆的下方，且所述沉降板被埋设在土体中，所述补水箱与光纤光栅沉降计连通，所述光纤光栅解调仪的输入端与光纤光栅沉降计电连接，所述光纤光栅解调仪的输出端与终端处理设备电连接，所述光纤光栅沉降计监测沉降板沉降后引起的波长变化，并将所述波长变化传输给光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪对传输的波长进行分析，并将分析得出的波长信号传输给终端处理设备进行数据分析和统计。

进一步地，所述光纤光栅沉降计包括壳体和端盖，所述壳体和端盖连接，所述端盖上开设有贯穿端盖的排气孔，所述排气孔连接排气管，所述排气管上设置排气阀，所述壳体的内部注满水，水面的顶部放置微应变薄膜，所述微应变薄膜的上方和下方各固定一个应变光栅，所述应变光栅与光纤光栅解调仪通过导线连接。

进一步地，所述光纤光栅沉降计、沉降杆和沉降板的数量均为两个，其中一组沉降板和沉降杆设置在参考点，另一组沉降杆和沉降板设置在测量点，所述参考点为监测过程中高度不会发生变化的稳定位置，所述测量点为需要监测沉降的位置。

进一步地，所述壳体的底部设有注水口，所述补水箱的底部开设出水口，所述出水口通过连通管与注水口连通，所述补水箱内填充水。

进一步地，所述补水箱的设置高度高于光纤光栅沉降计的高度。

进一步地，所述光纤光栅沉降计通过第二螺栓与钢槽滑轨连接，所述第二螺栓穿过沉降杆将光纤光栅沉降计与钢槽滑轨连接，调整第二螺栓在沉降杆上的位置，可以将光纤光栅沉降计连接在钢槽滑轨的不同位置。

进一步地，所述终端处理设备选用笔记本电脑。

上述基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置的安装步骤如下：

S1，打开排气阀，通过排气孔向光纤光栅沉降计的壳体的内部注满水，然后关闭排气阀；

S2，将监测路基地面整平后，向下开挖一段距离，对开挖后的坑底进行整平，然后铺撒细沙作为铺垫层；

S3，将沉降板水平放置在坑底，然后在沉降板的上部连接沉降杆，将光纤光栅沉降计通过钢槽滑轨固定在沉降杆上，保证两个光纤光栅沉降计位于补水箱的下方；

S4，在沉降板的四周进行回填，回填至原地面并进行压实；

S5，将光纤光栅解调仪连接光纤光栅沉降计和终端处理设备，即可以实现对路基沉降的实时动态监测。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本实用新型提供的路基沉降监测装置能够实现对路基土体沉降变形的高精度、全自动检测，克服了传统方法效率低、误差大、监测数据量小等问题；

(2)本实用新型提供的路基沉降监测装置安装简单、测量精确、自动化程度高、性价比好；

(3)本实用新型提供的路基沉降监测装置可以对路基沉降进行连续的、分布式的监测，确保路线的沉降数据分析与统计；

(4)本实用新型利用光纤光栅波长解调技术，可以得出光栅的应变与路基沉降变形之间的联系；本实用新型基于应变光栅的布拉格波长的变化综合计算土体沉降的变化，可以有效抑制温度影响，提高测量精度。

附图说明

图1是本实用新型一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置的光纤光栅沉降计的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，包括光纤光栅沉降计1、钢槽滑轨2、沉降杆3、沉降板4、补水箱5、光纤光栅解调仪6和终端处理设备7，光纤光栅沉降计1、沉降杆3和沉降板4的数量均为两个。

沉降板4一体焊接在沉降杆3的下方，且被埋设在土体中，沉降板4与沉降杆3垂直，构成倒“T”型，其中一组沉降板4和沉降杆3布置在参考点，另一组沉降杆3和沉降板4布置在测量点，参考点指在监测过程中高度不会发生变化的稳定位置，测量点指需要监测沉降的位置。

钢槽滑轨2通过第一螺栓8固定连接在沉降杆3上，钢槽滑轨2与沉降杆3平行，光纤光栅沉降计1通过第二螺栓9与钢槽滑轨2连接，第二螺栓9穿过沉降杆3将光纤光栅沉降计1与钢槽滑轨2连接，调整第二螺栓9在沉降杆3上的位置，可以将光纤光栅沉降计1连接在钢槽滑轨2的不同位置，进而改变了光纤光栅沉降计1的高度。

参考图2，光纤光栅沉降计1包括一体连接的壳体11和端盖12，端盖12上开设有贯穿端盖12的排气孔121，排气孔121处连接排气管122，排气管122上设置排气阀123，壳体11的内部注满水，水面的顶部放置微应变薄膜13，微应变薄膜13的上方和下方各固定一个应变光栅14，壳体11的底部设有注水口111，微应变薄膜13受到水压作用时会产生微小的形变，该微小的形变被传递到两个应变光栅14上，两个应变光栅14产生布拉格波长的变化。

补水箱5内填充水，补水箱5的底部开有出水口51，出水口51通过连通管52与两个注水口111连通，补水箱5、两个光纤光栅沉降计1经连通管52连通后形成连通器，补水箱5的设置高度高于两个光纤光栅沉降计1的高度。

每个光纤光栅沉降计1内的两个应变光栅14均通过导线141与光纤光栅解调仪6的输入端电连接，光纤光栅解调仪6的输出端通过导线与终端处理设备7电连接，光纤光栅解调仪6的左端设置开关61，光纤光栅解调仪6用于对应变光栅14传输的波长进行分析，并将分析得出的波长信号传输给终端处理设备7进行数据的分析和统计，终端处理设备7选用笔记本电脑。

本实施例的路基沉降监测装置的监测原理基于连通器原理，连通器原理为：容器底部连通的液体，在同样的气压条件下，液面静止时总会保持在相同的高度。

本实施例中光纤光栅沉降计1的沉降量的计算公式为：

ΔH＝(h₃-h₄)-(h₁-h₂)＝(h₃-h₁)-(h₄-h₂)，

沉降量ΔH为测量点的液柱变化量与参考点的液柱变化量之差，正数表示下沉，负数表示上升，h₃和h₄分别为测量点的液位高度，h₂和h₁分别为参考点的液位高度。

基于上述连通器原理和光纤光栅沉降计的沉降量的计算公式，由于液体内部的压强与液位高度呈线性关系，因此可以通过测量压强变化实现对液位变化的测量。

上述基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置的安装步骤为：

步骤S1，打开排气阀123，通过排气孔121向光纤光栅沉降计1的壳体11的内部注满水，然后关闭排气阀123；

步骤S2，将监测路基地面整平后，利用挖机配合人工向下开挖0.5m，对开挖后的坑底进行整平，然后铺撒厚度范围为2～4cm的细沙作为铺垫层；

步骤S3，将沉降板4水平放置在坑底，然后在沉降板4的上部连接好沉降杆3，将光纤光栅沉降计1通过钢槽滑轨2固定在沉降杆3上，调节第二螺栓9的位置，保证两个光纤光栅沉降计1位于补水箱5的下方；其中一个沉降板4布置在测量点，另一个沉降板4布置在参考点；

步骤S4，在沉降板4的四周进行回填，回填至原地面并进行压实；

步骤S5，将光纤光栅解调仪6连接光纤光栅沉降计1和电脑，即可以实现对路基沉降的实时动态监测，当测量点的土体发生沉降时，沉降板4与光纤光栅沉降计1同步沉降，由于连通器原理，水压作用在微应变薄膜13上，造成微小形变，该微小形变会传递到两个应变光栅14上，应变光栅14产生布拉格波长变化，并将该波长变化传输到光纤光栅解调仪6，光纤光栅解调仪6对波长进行分析，然后将分析得出的波长信号传输给电脑进行数据的分析和统计，即可得到路基的沉降位移量。

应变光栅14的工作原理为：将具有一定栅距的光纤布拉格光栅(FBG)布设在光纤上，当光纤被拉伸或挤压时，光纤的变形将会导致微结构的周期改变，从而改变布拉格波长，通过光纤光栅波长解调技术，即可得出路基的沉降位移量。布拉格波长(λ_B)是通过微结构的周期(Λ)和折射芯的折射率(n_ef)来定义的，其计算公式为：

λ_B＝2n_efΛ。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，包括光纤光栅沉降计、钢槽滑轨、沉降杆、沉降板、补水箱、光纤光栅解调仪和终端处理设备，所述光纤光栅沉降计与钢槽滑轨活动连接，所述钢槽滑轨连接在沉降杆上，所述沉降板连接在沉降杆的下方，且所述沉降板被埋设在土体中，所述补水箱与光纤光栅沉降计连通，所述光纤光栅解调仪的输入端与光纤光栅沉降计电连接，所述光纤光栅解调仪的输出端与终端处理设备电连接，所述光纤光栅沉降计监测沉降板沉降后引起的波长变化，并将所述波长变化传输给光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪对传输的波长进行分析，并将分析得出的波长信号传输给终端处理设备进行数据分析和统计。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述光纤光栅沉降计包括壳体和端盖，所述壳体和端盖连接，所述端盖上开设有贯穿端盖的排气孔，所述排气孔连接排气管，所述排气管上设置排气阀，所述壳体的内部注满水，水面的顶部放置微应变薄膜，所述微应变薄膜的上方和下方各固定一个应变光栅，所述应变光栅与光纤光栅解调仪通过导线连接。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述光纤光栅沉降计、沉降杆和沉降板的数量均为两个，其中一组沉降板和沉降杆设置在参考点，另一组沉降杆和沉降板设置在测量点，所述参考点为监测过程中高度不会发生变化的稳定位置，所述测量点为需要监测沉降的位置。

4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述壳体的底部设有注水口，所述补水箱的底部开设出水口，所述出水口通过连通管与注水口连通，所述补水箱内填充水。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述补水箱的设置高度高于光纤光栅沉降计的高度。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述光纤光栅沉降计通过第二螺栓与钢槽滑轨连接，所述第二螺栓穿过沉降杆将光纤光栅沉降计与钢槽滑轨连接，调整第二螺栓在沉降杆上的位置，可以将光纤光栅沉降计连接在钢槽滑轨的不同位置。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅技术的路基沉降监测装置，其特征在于，所述终端处理设备选用笔记本电脑。