CN2901251Y - 差动式光纤Bragg光栅沉降仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，属光电子测量器件技术领域。由悬臂梁，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅，通过挂钩和刃口连接悬臂梁末端和沉降墩，以及获取光纤Bragg光栅的Bragg波长的光纤光栅分析仪组成；两根光纤Bragg光栅为同一型号的光敏光纤，悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁，端头固定于测量场地上的固定平台、末端有V型槽结构。具有可最大限度地避免人为和气候因素的影响，实现远距离实时监测，检测可靠等优点。

Description

差动式光纤Bragg光栅沉降仪

技术领域：本实用新型涉及一种用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，属光电子测量器件技术领域。

技术背景：在变形测量中，大地测量方法是一种最直观的方法，主要用于地表的变形测量，比如边坡监测等。所谓沉降观测，就是定期地测量变形量工作点的高程变化情况，根据各点间的高差变化，计算地表的沉降量。目前常用水准测量方法进行沉降变形测量，但这种方法受人为因素影响极大，经验不足者常会导致测量精度不够，以致测量超限；即使经验丰富，技术熟练的工作人员，也不可能做到每次都能处理成功。而且，这种人工测量的方法受天气条件的影响很大，耗时长。

发明内容：本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种差动式光纤Bragg光栅沉降仪，利用机械换能器运转的可重复性和差动式光纤Bragg光栅波长调制的可靠性，最大限度地避免人为和气候因素的影响。

本实用新型的技术方案是：用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，是由悬臂梁，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅，悬臂梁的末端通过刃口和挂钩与沉降墩挂接，以及获取光纤Bragg光栅的Bragg波长的光纤光栅分析仪组成；两根光纤Bragg光栅为同一型号的光敏光纤，悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁，其粗端可固定于测量场地上固定平台上(如：边坡中的抗滑桩，粗端头可带耳孔结构，便于固定用)，细端有V型槽结构；沉降墩为浇凝土墩，直接埋置于待测地点的地表(可先在地表挖坑，再在坑内现浇钢筋混凝土以形成沉降墩，如：挖0.3×0.3×0.5m坑现浇；也可事先浇注好，再在地表挖坑埋入)，并通过框形刃口挂在悬臂梁末端的V型槽上(有利于提高检测精度)。

使用时将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如边坡中的抗滑桩)，将沉降墩直接埋放于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用普通光纤光栅分析仪获取两根光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，将测量结果进行差动运算(可用人工运算或配备专门的电子运算装置进行数据运算处理与显示)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

本实用新型由于采用光纤Bragg光栅与悬臂梁结构，利用位移调制型光纤Bragg光栅传感原理来测量沉降量，与现有技术相比较具有以下优点：

1.检测的实时性：常用的光纤光栅解码仪的检测频率为50～1000Hz，可满足土木工程结构的实时监测要求。

2.远程传感网络：插入损耗低和窄带的波长反射提供了远程传感的可能性，并且有利于在光纤中的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型等连接，实现远程测量与监控。

3.检测的可靠性：由于光纤Bragg光栅的传感信号为光栅调制的Bragg波长值，该波长值可进行自标定和自校准，而且传感光栅的波长编码具有抗干扰能力强的特点，从本质上排除了光强起伏干扰(如：光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等)，因此保证了检测的可靠性。

4.消除了温度的影响：采用粘贴在等强度悬臂梁上、下表面的两个传感光栅，通过差动运算，可有效消除温度对传感元件的影响。

5.测量量程可调：利用悬臂梁的长度l与沉降量d的关系式，可方便地选择不同尺寸的悬臂梁，以获取相应的测量量程。

附图说明：

附图1为本实用新型示意图；

附图2为本实用新型等强度悬臂梁俯视示意图。

附图3为本实用新型悬臂梁应变原理图；

图中：①固定平台(如：边坡中的抗滑桩)，②悬臂梁，③光纤Bragg光栅(分别粘贴在悬臂梁的上、下表面)，④刃口，⑤挂钩，⑥沉降墩，⑦悬臂梁固定端，⑧V型槽。l为悬臂梁的长度、h为悬臂梁的厚度，B为悬臂梁固定端的宽度，b为悬臂梁末端的宽度，d为沉降量，α为悬臂梁的倾斜角。

具体实施方式：下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步阐述。

实施例1：如附图1～3所示，用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，由悬臂梁，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅，悬臂梁的末端通过刃口和挂钩与沉降墩挂接，以及获取光纤Bragg光栅波长的光谱分析仪组成；两根光纤Bragg光栅采用同一批次的通信用G 652单模光纤载氢后制成，悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁(粱体为不锈钢材料制成，尺寸为：l＝300.0mm，h＝3.0mm，B＝45.9mm)，其粗端(带耳孔结构)可固定于测量场地固定平台上，细端有V型槽结构；沉降墩为事先在地表挖坑后现浇凝土制成(比如：0.3×0.3×0.5m)，通过框形刃口挂在悬臂梁末端的V型槽上。

使用时将悬臂梁的粗端(固定端)固定在边坡中的抗滑桩，将沉降墩直接埋放于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光谱分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将其进行差动运算(用人工运算)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

本实用新型属于机械补偿结构，并不要求额外的温度检测，当悬臂梁受荷载的作用弯曲时，上表面受到的是拉伸应变ε，而下表面受到的是压缩应变-ε，若两只光栅处于同样的温度场中，则光栅中的温度变化T和应变信号ε可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{2S_{\mathrm{\ϵ}}}\\ T=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)+{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{2S_T}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在附图1所示的等强度悬臂梁中，悬臂梁所受应变ε与沉降量d之间的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{h}{l^2+d^2}d---\left(2\right)$

其中，l是等强度悬臂梁的长度，h是等强度悬臂梁的厚度。

把式(2)代入式(1)，可得沉降量与传感光栅传感信号的关系可表示为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_B(\mathrm{\ϵ},T)-{\mathrm{\λ}}_B(-\mathrm{\ϵ},T)}{2S_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{l^2+d^2}{h}---\left(3\right)$

按附图1组织实验，用百分表测量沉降量，用光谱分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长，测量结果为：Bragg波长移位量/沉降量＝70.0pm/mm，即当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位为70.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λ_B的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。

实施例2：如附图1～3所示，用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，由悬臂梁，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅，悬臂梁的末端通过刃口和挂钩与沉降墩挂接，以及可获取光纤Bragg光栅的Bragg波长的基于可调谐Fabry-Perot干涉仪解调原理制成的光纤光栅分析仪组成；两根光纤Bragg光栅为采用同一批次的光敏光纤PS-1550-Y3制成，悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁(粱体为不锈钢材料制成，尺寸为：l＝600.0mm，h＝5.5mm，B＝72.0mm)，其粗端(带耳孔结构)可固定于测量场地固定平台(比如：抗滑桩)上、细端有V型槽结构；沉降墩为事先浇注好0.3×0.3×0.5m的混凝土墩(在地表挖坑埋入)，通过框形刃口和挂钩挂在悬臂梁末端V型槽上。

使用时将悬臂梁的粗端(固定端)固定在边坡中的抗滑桩，将沉降墩直接埋放于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用基于可调谐Fabry-Perot干涉仪解调原理制成的光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将其进行差动运算(配备专门的电子运算装置进行数据运算处理与显示)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。

按附图1配置检测，用百分表测量沉降量，用基于可调谐Fabry-Perot干涉仪解调原理制成的光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长，测量结果为：Bragg波长移位量/沉降量＝20.0pm/mm，即当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量为20.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λ_B的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。

Claims (4)

1、一种用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是由悬臂梁(2)，分别粘贴在悬臂梁上、下表面的两个光纤Bragg光栅(3)，沉降墩(6)，刃口(4)和挂钩(5)，以及获取光纤Bragg光栅的Bragg波长的光纤光栅分析仪组成，沉降墩(6)通过刃口(4)和挂钩(5)与悬臂梁末端相连。

2、根据权利要求1所述的用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是悬臂梁为从端头到尾部逐渐变小的等强度悬臂梁，其粗端可固定于测量场地的固定平台、细端有V型槽结构(8)。

3、根据权利要求1或2所述的用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是两根光纤Bragg光栅为同一型号的光敏光纤。

4、根据权利要求1所述的用于地表沉降变形测量的差动式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是挂钩通过框形刃口挂在悬臂梁末端的V型槽上。