CN107504920B - 基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，涉及倾角测量装置技术领域。其包括柔性基体、分别与所述柔性基体连接的光纤光栅和加强板以及用于连接光纤光栅的光纤；所述加强板之间具有间隙，所述光纤光栅的位置与所述间隙的位置相对应。本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置针对缩尺边坡模型监测需求设计，其没有尺寸效应，通过调整柔性基体的长短、加强板的长度与数量、光纤光栅的数量可以实现缩尺边坡模型滑移及变形的准分布式测量，从而可以低成本的实现边坡高空间分辨率的监测。还具有结构简单、尺寸小，封装容易，实用性强，灵敏度高，准分布式测量的特点。
Description
技术领域
本发明涉及倾角测量装置技术领域，具体的涉及一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置。
背景技术
我国是一个地质灾害发生十分频繁，并且损失极为严重的国家。滑坡作为地质灾害中的一个十分突出的问题，给国民经济建设各部门待带来了严重地干扰秘和损失。由于目前仍有相当一部分人居住在山坡和坡趾地区，突发滑坡将会给当地居民的生命财产安全带来难以估量的损失，而且随着我国经济的发展与国民需求西部地区的铁路、公路等基础建设越来越多，突发滑坡不但会威胁国家的正常交通运输安全，还会造成严重的经济损失与恶劣的社会影响。尤其是随着我国西部开发等地区平衡和可持续发展重大战略举措，沟堑纵横、多高坡陡等复杂多变地形地貌的西部地区将面临大量的滑(边)坡工程，滑坡与边坡事故也会随之日益增多。因此，对高陡边坡的滑移机理研究及滑坡预警预报变得十分重要。
边坡模型试验在滑坡运动的研究中扮演了重要的角色，能够有效的研究滑坡运动机理以及滑体的堆积特征等。故针对边坡变形及失稳的主要影响因素，开展室内缩尺边坡模型失稳及破坏模拟试验工作，总结室内缩尺模型试验成果，建立边坡***的失稳模式分析模型并进行验证，从机理上探讨边坡变形特征及失稳破坏模式，对于科学指导边坡防治，保障边坡的稳定性，确保工程建设及人民生命财产安全有着重要的理论意义及实用价值。
在模型实验研究中，通常采用多个倾角传感器通过连接结构连接在一起，然后固定进行测量。由于传统的倾角传感器结构尺寸较大，并通过连接结构连接，导致此种传感器结构整体尺寸较大，并不能很好的适应缩尺边坡模型的滑移及变形测量，尤其是实现缩尺边坡模型的准分布式滑移及变形测量，变得极为困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，以解决现有技术中倾角传感器结构尺寸较大，难以适应缩尺边坡模型的滑移及变形测量，尤其是实现缩尺边坡模型的准分布式滑移及变形测量的技术问题。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其包括柔性基体、分别与所述柔性基体连接的光纤光栅和加强板以及用于连接光纤光栅的光纤；所述加强板之间具有间隙，所述光纤光栅的位置与所述间隙的位置相对应。
进一步的，所述光纤光栅设于所述柔性基体的前侧，所述加强板设于所述柔性基体的后侧。
进一步的，所述柔性基体呈长条形，所述光纤光栅的长度方向与所述柔性基体的长度方向平行。
进一步的，相邻所述加强板之间间隙的宽度不小于所述光纤光栅的长度。
进一步的，所述光纤光栅具有至少两个，且两个以上所述光纤光栅沿所述柔性基体的长度方向排列，所述加强板具有至少三个，且三个以上所述加强板沿所述柔性基体的长度方向排列；所述光纤光栅沿所述柔性基体的长度方向依次通过光纤串联。
进一步的，所述柔性基体的前侧面和后侧面相互平行，所述光纤光栅在所述柔性基体后侧面上的正投影位于两个所述加强板之间。
进一步的，所述柔性基体为橡胶构件，所述加强板为不锈钢构件，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置针对缩尺边坡模型监测需求设计，其没有尺寸效应，通过调整柔性基体的长短、加强板的长度与数量、光纤光栅的数量可以实现缩尺边坡模型滑移及变形的准分布式测量，从而可以低成本的实现边坡高空间分辨率的监测。还具有结构简单、尺寸小，封装容易，实用性强，灵敏度高，准分布式测量的特点。
附图说明
图1为本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的主视图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的弯曲状态示意图；
图4为本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的原理图。
图中：1-柔性基体、2-光纤光栅、3-加强板、4-光纤。
具体实施方式
为了使本发明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，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
现对本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置进行说明。如图1至图4所示，一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其包括柔性基体1、分别与所述柔性基体连接的光纤光栅2和加强板3以及用于连接光纤光栅2的光纤4；所述加强板之间具有间隙，所述光纤光栅的位置与所述间隙的位置相对应。
本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，与现有技术相比，本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置针对缩尺边坡模型监测需求设计，其没有尺寸效应，通过调整柔性基体1的长短、加强板3的长度与数量、光纤光栅2的数量可以实现缩尺边坡模型滑移及变形的准分布式测量，从而可以低成本的实现边坡高空间分辨率的监测。还具有结构简单、尺寸小，封装容易，实用性强，灵敏度高，准分布式测量的特点。
具体的，所述的柔性基体1可采用橡胶等长寿命高柔性的材料，所述的加强板3可采用不锈钢等耐腐蚀、高刚度(弹性模量)的材料，所述的光纤光栅2可采用普通布拉格光纤光栅2，光纤光栅2通过光纤4连接组成阵列，并与检测装置连接。具体的，光纤光栅2的连接方式可以是通过光纤4串联。光纤光栅2和加强板3分别粘贴在柔性基体1的前侧和后侧，使柔性基体1上形成后侧粘帖加强板3的刚性段和前侧粘帖光纤光栅2的变形段。柔性基体1前侧的光纤光栅2的位置对应柔性基体1后侧的加强板3之间的间隙处，用于感受柔性基体1的变形。光纤光栅2和加强板3也可以粘帖在柔性基体1的其他侧面，使光纤光栅2的位置对应相邻加强板3之间的间隙处。加强板3与光纤光栅2的数量根据边坡模型测量实际需求来设定，一般可以设置十几个、几十个、上百个甚至更多。
本发明的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置在使用时，将本基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置埋入被监测缩尺边坡模型内部，当边坡模型内部发生变形或滑移时，所述柔性基体1会随着边坡模型的变形而弯曲。由于柔性基体1粘贴有加强板3的部分，其刚度随着加强板3而增大，因此只有柔性基体1的加强板3间隙处的部分才会发生完全变形，产生应变，同时该部位的应变传递到粘贴在该部位的光纤光栅2，由于光纤光栅2的本身光学特性，其反射普中心波长会随着其应变的改变而改变。通过数学与物理模型建立边坡滑移量(变形量)与柔性基体1应变(弯折角)之间的函数关系，以及柔性基体1应变(弯折角)与光纤光栅2反射普中心波长之间的函数关系，即可通过解调光纤光栅2反射普的中心波长来实现边坡模型的滑移量(变形量)监测。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，所述光纤光栅2设于所述柔性基体1的前侧，所述加强板3设于所述柔性基体1的后侧。光纤光栅2位于柔性基体1的同一侧，便于光纤光栅2通过光纤4串联，同时便于安装使用时对光纤光栅2的防护。具体的，柔性基体1呈长条的扁平形状，后侧面粘结若干个加强板3，相邻加强板3之间间隔一定的间隙，柔性基体1位于加强板3之间的间隙处的部分的前侧面粘结光纤光栅2。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，所述柔性基体1呈长条形，所述光纤光栅2的长度方向与所述柔性基体1的长度方向平行。光纤光栅2粘帖在柔性基体1上，且光纤光栅2的长度方向与柔性基体1的长度方向平行，使光纤光栅2更好的捕捉柔性基体1的弯折偏转。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，相邻所述加强板3之间间隙的宽度不小于所述光纤光栅2的长度。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，所述光纤光栅具有至少两个，且两个以上所述光纤光栅2沿所述柔性基体1的长度方向排列，所述加强板具有至少三个，且三个以上所述加强板3沿所述柔性基体1的长度方向排列；所述光纤光栅2沿所述柔性基体1的长度方向依次通过光纤4串联。若干个光纤光栅2沿柔性基体1的长度方向成列串联设置，增大了本实施方式的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的测量范围和测量精度。可以根据测量需要设置串联的光纤光栅2数量。更进一步地，若干个光纤光栅2沿柔性基体1的长度方向成两列以上设置，每列各自串联设置。设置两列以上可以修正侧向变形对测量的影响。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，所述柔性基体1的前侧面和后侧面相互平行，所述光纤光栅2在所述柔性基体1后侧面上的正投影位于两个所述加强板3之间。柔性基体1的前侧面和后侧面平行，使整体结构简单，易于制作，同时，便于计算。
进一步的，如图1至图3所示，作为本发明提供的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的一种具体实施方式，所述柔性基体1为橡胶构件，所述加强板3为不锈钢构件，所述光纤光栅2为布拉格光纤光栅2。
对于一个具体的实施例，具体分析如下：
如图1至图3所示，柔性基体1为橡胶制成的长方形的长条，加强板3为不锈钢制作的长条形，光纤光栅2采用布拉格光纤光栅2。光纤光栅2和加强板3分别粘帖在柔性基体1的前侧和后侧；柔性基体1的后侧沿长度方向排列五个加强板3，柔性基体1的前侧沿长度方向排列四个依次串联的光纤光栅2，光纤光栅2对应于加强板3之间的间隙位置，光纤光栅2的长度与加强板3之间的间隙长度相同。
当两个加强板3之间的柔性基体1发生变形时，可以近似看做是柔性基体1的弯曲变形，柔性基体1的表面形变量近似等于相对转角弧长，由几何学弧长公式可知：
Δl＝rθ (1)
式中，θ为柔性基体1弯折角，即边坡的倾斜角度(以弧度计算)；r为柔性基体1的厚度。
粘贴在柔性基体1上的光纤光栅2的应变约为：
式中，ε为光纤光栅2的应变；△l为柔性基体1粘帖光纤光栅部分的变形量，同样为光纤光栅2的变形量；l为柔性基体1粘帖光纤光栅2部分的放松状态条件下的长度，同样为光纤光栅2被粘贴部分的长度。
光纤光栅2的中心波长与应变的关系为：
式中，Δλ为光纤光栅2中心波长的变化量；λ光纤光栅2的中心波长；Pe为光纤材料的弹光系数。
将式(1)～式(3)带入光纤光栅2灵敏度计算公式，可以得出该基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的倾角测量灵敏度：
由上式可以看出，该基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的倾角测量灵敏度与柔性基体1的厚度r成正比，与柔性基体1粘帖有光纤光栅2部分的放松状态条件下的长度l成反比，采用工程常用的1550nm的光纤光栅2，当r取10mm，l取20mm时，由公式(4)可知该倾角测量装置的灵敏度高达10545pm/°(6.045×105皮米每弧度)，远高于目前各文献资料中的光纤光栅倾角传感器的灵敏度。
如图4所示，设加强板3的间距为N，边坡模型的滑移量与倾斜角之间的关系如下：
m＝Nsinθ (5)
式中，m为单个加强板3长度范围内的边坡模型滑移量，N为加强板3的间距，θ为该加强板3对应位置的边坡滑移角度。
边坡模型整体滑移量M如下：
M＝∑Nsinθ (6)
所述加强板3根据监测需求可以等间距的粘贴柔性基体1后侧，也可以不等间距的粘贴在柔性基体1后侧，但是要求加强板3之间间隔的距离不小于光纤光栅2的长度。更进一步的，可以尽量缩短加强板3的长度，提高本基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置的空间分辨率。
上述各具体实施方式中未作具体说明的技术特征，可以与其他具体实施方式中的技术特征相同。
上述各具体实施方式的说明中所提及的“上方”、“下方”等相对位置概念，应当理解为本发明的具体实施方式在常规状态下的位置关系，其仅仅用于对具体实施方式进行清楚的说明，并不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其特征在于，包括柔性基体（1）、分别与所述柔性基体连接的光纤光栅（2）和加强板（3）以及用于连接光纤光栅（2）的光纤（4）；所述光纤光栅（2）设于所述柔性基体（1）的前侧，所述加强板（3）设于所述柔性基体（1）的后侧；所述柔性基体（1）为橡胶构件；所述加强板之间具有间隙，所述光纤光栅的位置与所述间隙的位置相对应；相邻所述加强板（3）之间间隙的宽度不小于所述光纤光栅（2）的长度；所述光纤光栅具有至少两个，且两个以上所述光纤光栅（2）沿所述柔性基体（1）的长度方向排列，所述加强板具有至少三个，且三个以上所述加强板（3）沿所述柔性基体（1）的长度方向排列；所述光纤光栅（2）沿所述柔性基体（1）的长度方向依次通过光纤（4）串联。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其特征在于，所述柔性基体（1）呈长条形，所述光纤光栅（2）的长度方向与所述柔性基体（1）的长度方向平行。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其特征在于，所述柔性基体（1）的前侧面和后侧面相互平行，所述光纤光栅（2）在所述柔性基体（1）后侧面上的正投影位于两个所述加强板（3）之间。
4.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感的边坡模型滑移测量装置，其特征在于，所述加强板（3）为不锈钢构件，所述光纤光栅（2）为布拉格光纤光栅（2）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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