CN103353367B - 一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器，该传感器由内部光纤光栅受力感知装置与外部数据采集、无线传输装置组成。其主要优点在于仅需力‑光波‑力的两次参量转换，误差易于控制，对绝缘无要求；结构简单，制作工艺简单；监测精度高，稳定性高，有效使用率高；安装方法与普通加固杆件外端固定无区别，操作方便。对于获取岩土体变化规律、工程风险的早期诊断与控制，有十分重要的科学意义和实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程监测仪器领域，特别涉及一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器，适用于岩土体内部应力、位移变化及锚索、锚杆、土钉等工程加固杆件受力变化的远程实时在线量测。
背景技术
岩土体应力、变形监测是评价岩土体及建筑物稳定状态或建筑物是否能正常使用最直接的指标来源手段；其中，一般情况下岩土体内部变化要早于其表面改变，因此，借助植入岩土体内部的工程加固杆件开展其内部应力、位移变化监测逐渐成为学术界与工程界共同关注的热点与焦点。目前，主要是通过振弦式传感器与光纤传感器结合岩土加固杆件进行监测。前者是通过将振弦式传感器安装在锚索、锚杆、土钉等岩土加固杆件固定端，杆件受力后会传至其固定端，进而影响振弦式传感器受力状态；传感器内部振弦在受力后挠度改变，进而弦的固有频率亦发生改变，在激振作用下其振动产生的电磁感应发生变化，即电表上的电压参数改变，最后转换成力学参量，这一过程“力-挠度-激振-频率-电磁感应-电压-力”经历了至少六次参量转换，使得该方法易受干扰、误差控制与精度提升困难，其绝缘要求高，难以适应复杂岩土条件的高精度监测。后者是通过将光纤光栅传感器沿加固杆件纵向贴在杆件上，量测杆件在岩土体作用下各个部分的变形情况，从而判断岩土体的变化；但是，该方法对光纤光栅传感器的封装保护要求十分高，制作较为困难，且传感器的安装会改变杆件的横截面积，导致监测误差；同时，由于光纤的脆性，杆件植入岩土体的也较为困难，工艺要求十分高；上述二者常导致其杆件植入岩土体后，传感器有效 使用率低，误差控制困难，更换成本高，难以推广使用。因此，设计研制一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器，解决量测岩土体内部变化的高精度传感器欠缺的问题，对于获取岩土体变化规律、工程风险的早期诊断与控制，有十分重要的科学意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的目是，针对现有岩土体内部应力、位移变化监测传感器误差控制困难、工艺要求高、精度提升难等问题，提供一种参量转换少、误差易于控制、制作与安装工艺要求低、精度高的岩土体内部变化监测传感器。
本发明涉及的一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器，由内部光纤光栅受力感知装置与外部数据采集、无线传输装置组成。
1、内部光纤光栅受力感知装置
内部光纤光栅受力感知装置由三根或四根光纤光栅传感器、受力膜与封装加固环等组成，可实现仅需力-光波-力的两次参量转换即可高精度感知由加固杆件传递的岩土体内部变化情况。
2、外部数据采集、无线传输装置
外部数据采集、无线传输装置由数据采集及其无线发射装置、数据无线接收装置、光缆等组成，可实现光纤传感数据的自采集、力学参数转换、能源自采集、远程实时传输。
本发明具有以下优点：
仅需力-光波-力的两次参量转换，误差易于控制，对绝缘无要求；结构简单，制作工艺简单；监测精度高，稳定性高，有效使用率高；安装方法与普通加固杆件外端固定无区别，操作方便，对安装与监测人员没有很强的技术要求。
附图说明
图1是本发明的整体组成结构示意图，图2是内部光纤光栅受力感知装置结构示意图，图3是光纤光栅受力作用示意图。
其中：
A.内部光纤光栅受力感知装置：A1.光纤光栅传感器；A2.受力膜；A3.封装加固环；A4.光缆出口；A5.光缆。
B.外部数据采集、无线传输装置：B1.数据采集及其无线发射装置；B2.数据无线接收装置；B3.光缆。
C.岩土加固杆件。
D.垫片。
E.螺栓。
图4是具体试验实施方式流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进一步说明：
1.内部光纤光栅受力感知装置
三根或四根A1.光纤光栅传感器与A2.受力膜置于A3.封装加固环中，一次铸模加工成型，并在表面喷涂防腐材料；连接A1.光纤光栅传感器的A5.光缆通过A4.光缆出口引出。监测过程中，A.内部光纤光栅受力感知装置通过D.垫片与E.螺栓固定在C.岩土加固杆件外端，根据需要对D.垫片施加预应力；当C.岩土加固杆件因岩土体内部变化而受到外力作用，并将传至其外端进而施加于D.垫片、A3.封装加固环；A3.封装加固环将力作用传至A2.受力膜，A2.受力膜将力作用传至A1.光纤光栅传感器，致使A1.光纤光栅传感器产生应变；应变导致A1.光纤光栅传感器的光栅产生应变量，进而改变波长；波长改变量经A5.光缆传导到B1.数据采集及其无线发射装置，根据波长改变量、光栅应变量与力作 用的标定关系，可读取C.岩土加固杆件受力变化数据；在此基础上，结合C.岩土加固杆件与岩土体作用关系，可获取岩土体内部变化数据，从而完成岩土体内部变化情况的量测。
2.外部数据采集、无线传输装置
B1.数据采集及其无线发射装置根据需要放置与合适且易于保护的地方。监测过程中，B1.数据采集及其无线发射装置通过A5.光缆与B3.光缆采集A1.光纤光栅传感器传导的波长改变量，根据波长改变量、光栅应变量与力作用的标定关系，获取C.岩土加固杆件受力变化数据；通过无线传输技术，将C.岩土加固杆件受力变化数据传给B2.数据无线接收装置；在此基础上，结合C.岩土加固杆件与岩土体作用关系，可获取岩土体内部变化数据，实现岩土体内部变化情况监测数据的远程实时传输与分析，实时捕捉岩土体内部变化规律。
3.在上述***的基础上，基于递进式冲突检测和消解技术，对上述两项硬件的进行集成与智能优化设计；引入协同设计思想，开发整个传感器的智能控制模块，实现监测频率、数据格式、能源采集模式的远程智能化控制，形成一整套基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器。
Claims (1)
1.一种基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器，包括内部光纤光栅受力感知装置与外部数据采集及其无线传输装置、垫片与螺栓；其特征在于：内部光纤光栅受力感知装置通过垫片与螺栓固定在岩土加固杆件外端；所述的内部光纤光栅受力感知装置由三根或四根光纤光栅传感器、受力膜、封装加固环、光缆出口、第一光缆(A5)组成，三根或四根光纤光栅传感器与受力膜置于封装加固环中；连接光纤光栅传感器的第一光缆(A5)通过光缆出口引出；所述的外部数据采集及其无线传输装置由数据采集及其无线发射装置、数据无线接收装置、第二光缆(B3)组成，外部数据采集及其无线发射装置通过第一光缆(A5)与第二光缆(B3)采集光纤光栅传感器传导的波长改变量；可实现光纤传感数据的自采集、力学参数转换、能源自采集、远程实时传输；所述基于光纤光栅的岩土加固杆件外端测力传感器可实现仅需力-光波-力的两次参量转换即可远程实时在线高精度的低误差的感知由加固杆件传递的岩土体内部变化规律。
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