一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作振动传感器；S2：构建砂土模型；S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系；S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。本申请采用光纤光栅制作振动传感器对河床特性进行测量，大大减少人力物力的投入并提高操作的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法
本专利技术涉及地质检测
，具体涉及一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法。
技术介绍
光纤传感器技术的应用为分析地下土参数提供了新的技术和方法。尤其是FBG(FiberBraggGrating)传感器应用更为广泛，FBG传感器具有灵敏度高、远距离测量、抗电磁干扰性好等优点，因此被广泛应用于地质检测等领域。目前，对河流淤积量的测量主要有以下几种：1)经纬仪测记法经纬仪测量水下地形是根据陆地上布设的控制点，利用船艇航行在水面上测定水下地形点的水深和平面位置来实现的。2)SAR(syntheticapertureradar)SAR法是根据星载合成孔径雷达的浅海水下地形和水深成像机理，建立浅海水下地形和水深雷达后向散射截面仿真模型。3)GPS和GIS技术GPS(globalpositioningsystem，全球定位系统)和GIS(geographicinformationsystem，地理信息系统)的应用在测量的精度、速度、效率等方面都明显优于传统方法。但是，经纬仪测记法用于小河道的测深定位简单方便，但作业时会阻止其他船艇的正常航行。而借助SAR的水下地形测量目前仅限于尝试阶段，要提高测量精度，受制条件较多，尚不够成熟。GPS和GIS技术对测量方案的讨论,没有考虑泥沙的淤积特性，而仅是站在测量的角度上探讨。有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法。本专利技术的一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，包括如下步骤：S1：制作振动传感器，S2：构建砂土模型，S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系，S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。进一步的，所述步骤S1中的振动传感器包括振动杆、贴合于所述振动杆上的光纤光栅和与光纤光栅连接的光纤电缆，通过测量所述光纤光栅中心波长的变化得到振动杆上应变的变化规律，振动杆上应变和波长的变化满足：其中，ε为振动杆上的应变，λB为FBG的中心波长，△λB为波长的偏移量，GF为应变系数；在振动杆插入砂土中的某一深度处，没有埋入土中的部分为一段悬臂梁，振动杆的基础频率ω与悬臂梁l之间的关系为：其中，ρ,A,E和I分别是振动杆的密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩；因悬臂梁的固结点并非在土体与空气交界面，而是在土体下一部分深度。通过反复实验推断出悬臂梁真正的固结点并在计算公式中加以修正，因此，振动杆的基础频率ω与悬臂梁的长度l的关系为：其中，L，ρ,A,E和I分别是振动杆的总长，密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩，c为修正系数。进一步的，所述振动杆为密度为2.54g/cm-3的铝合金杆件。进一步的，所述步骤S2中构建砂土模型为通过运用Winkler地基模型来构建砂土模型，埋入砂土中的部分振动杆的压力强度p(x)为：p(x)＝K*x，其中，K为土体的变形常数，x为振动杆的埋入深度；运用Winkler地基模型，将K进一步用能够反映土体特性的Ki来分析，根据分析结果埋入土中的振动杆的振动特性Ki为：Ki＝k*xiDa，(1)其中，xi是埋入土的深度，k*是地基土刚度，D是振动杆的直径，a相邻土体的距离；建立所述振动传感器的基础频率和土体刚度矩阵之间的关系模型，其数学表达式为：||k-ω2m||＝0，(2)其中m是单元质量矩阵，k是单元刚度矩阵，0是零向量，ω为振动频率；解出刚度矩阵，确定能够反映土的物理特性的地基土刚度k*的参数，从而判断出土的特性。进一步的，所述步骤S3包括：将所要进行测量的实验土加入到实验箱；并将振动传感器插入实验箱中；记录传感器插入的深度；在实验箱中加入用于模拟河床的水，静置至砂土、振动传感器和水处于相对稳定的状态；对振动传感器施加一个用于模拟河水冲击的初始力，并使其做自由振动，并记录土层深度、振动频率，应用所构建的Winkler地基模型得出地基土刚度。进一步的，所述步骤S4具体为先参阅砂土物理特性的标准参考数据，运用Winkler地基模型解出单一特性地基土刚度k*的数学模型，推断出单一特性土与其物理特性之间的关系，再通过振动传感器测量得出实际土中各土层厚度及地基土刚度，通过与标准参考数据值进行比较推断出土的类别。借由上述方案，本专利技术至少具有以下优点：本专利技术采用光纤光栅制作振动传感器对河床特性进行测量，大大减少人力物力的投入并提高操作的安全性，在有风吹或水流稍大的时候，本专利技术无需人为加载振动传感器的初始力，借助风或水流的作用即可完成，有效节约检测成本。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本专利技术所制作的振动传感器置于砂土中的结构示意图；图2是本专利技术振动杆的基础频率与悬臂梁长度间的关系图；图3是本专利技术构建的Winkler地基模型示意图；图4是本专利技术所搭建的实验平台；图5是本专利技术分层土的测试情况；图6是本专利技术不同土的地基土刚度；图7是两层土的振动特性。其中：1是振动传感器、101是振动杆、102是FBG传感器、103是光纤电缆、2是砂土、201是第一土层、202是第二土层、203是第n土层、3是计算机、4是解调器、5是实验箱。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参见附图1至7，本专利技术一较佳实施例所述的一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，包括如下步骤：S1：制作振动传感器1，S2：构建砂土模型，S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系，S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。所述步骤S1中制作的振动传感器1，要求能通过测量振动杆的基础频率以及杆件自身参数获取被测泥沙相关的特性参数。因此，所选用的振动杆101要有一定的韧性及较高的抗剪强度，本实施例优先选用密度为2.54g/cm-3的铝合金杆件作为振动杆101。在所选用的振动杆101上贴上分布式光纤光栅本实施例优选FBG传感器，所述FBG传感器连接有光纤电缆103，如图1所示。通过测量所选用的振动杆中心波长的变化得到振动杆上应变的变化规律。振动杆上应变和波长的变化满足：其中，ε为振动杆上的应变，λB为FBG的中心波长，△λB为波长的偏移量，GF为应变系数。在振动杆插入砂土中的某一深度处，没有埋入土中的部分为一段悬臂梁，振动杆的基础频率ω与悬臂梁l之间的关系为：其中，ρ,A,E和I分别是振动杆的密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩；而悬臂梁的固结点并非在土与空气交界面，而是在土体下一部分深度。通过反复实验推断出振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作振动传感器，S2：构建砂土模型，S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系，S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作振动传感器，S2：构建砂土模型，S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系，S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的振动传感器包括振动杆、贴合于所述振动杆上的光纤光栅和与光纤光栅连接的光纤电缆，通过测量所述光纤光栅中心波长的变化得到振动杆上应变的变化规律，振动杆上应变和波长的变化满足：其中，ε为振动杆上的应变，λB为FBG的中心波长，△λB为波长的偏移量，GF为应变系数；在振动杆插入砂土中的某一深度处，没有埋入土中的部分为一段悬臂梁，振动杆的基础频率ω与悬臂梁l之间的关系为：其中，ρ,A,E和I分别是振动杆的密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩；因悬臂梁的固结点并非在土体与空气交界面，而是在土体下一部分深度。通过反复实验推断出悬臂梁真正的固结点并在计算公式中加以修正，因此，振动杆的基础频率ω与悬臂梁的长度l的关系为：其中，L，ρ,A,E和I分别是振动杆的总长，密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩，c为修正系数。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桂娜，梁大开，魏广庆，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32