一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统技术方案

一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，涉及一种土体沉降观测系统，包括变形板、固定板、沉降杆和变形板，所述的沉降杆设置在所述的变形板上，所述的变形板一端固定在固定板上另一端与沉降杆连接，所述的变形板中部设置有变形测试布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅通过单模单芯光纤连接温度补偿布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅和所述的温度补偿布拉格裸光栅都连接至布拉格光栅解调仪。与现有技术相比，本测量系统采用光纤传感器，避免了电磁干扰的影响，同时还具有温度补偿功能，本实用新型专利技术所提出的测量系统工作稳定、测量精度高，并且可以根据测量需求进行调节和更改，能够适应绝大多数沉降面的测量。

A soil subsidence observation system based on Prague grating

A settlement observation system of soil in Prague based on the grating, relates to a settlement observation system, including deformation plate, settlement and deformation of rod plate, the settlement rod arranged on the plate deformation, deformation of one end of the plate is fixed on the fixed plate and the other end of the connecting rod settlement. The central deformation plate is arranged in the deformation test of Prague bare grating, deformation test of Prague bare grating through a single core fiber connecting Prague bare grating temperature compensation, temperature compensation of Prague bare grating deformation test of the Prague bare grating and the grating demodulator is connected to Prague. Compared with the existing technology, the measurement system of optical fiber sensor to avoid electromagnetic interference, but also has the function of temperature compensation, the measurement system is stable and the measuring accuracy of the utility model is high, and can be adjusted and changed according to the measurement requirements, can adapt to the vast majority of the settlement measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统
本专利技术涉及一种土体沉降观测系统，尤其涉及一种全自动土体沉降观测系统。
技术介绍
岩土工程领域中，变形以及稳定是两大基本难点，而土体的变形是许多工程人员极为关注的问题之一。目前常见的土体沉降测试方法主要是通过变形板配套LVDT或者百分表来观测。LVDT是通过电磁感应的原理来测试沉降，在变形板发生沉降的过程中，在一定范围内变形板的沉降与电压呈线性变化，通过测试LVDT的电压从而转换成沉降。LVDT的精度随量程的变化而变化，一般为量程的0.24％，即如若量程为10cm，那么其精度为0.24mm。然而由于LVDT为电感式传感器，在实际操作过程中，常常受到电磁干扰的影响，在极大程度上影响到了其工作精度。如若用百分表测试变形板的沉降，其数据有较高的可靠性，并且精度较高，精度可以达到0.01mm，然而需要人工读数，不能全自动记录数据，这在一定程度上为后期数据的处理和分析带来了一定的弊端。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供了一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，本测量系统采用光纤传感器，避免了电磁干扰的影响，同时还具有温度补偿功能，本专利技术所提出的测量系统工作稳定、测量精度高，并且可以根据测量需求进行调节和更改，能够适应绝大多数沉降面的测量。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括变形板、固定板、沉降杆和变形板，所述的沉降杆设置在所述的变形板上，所述的变形板一端固定在固定板上另一端与沉降杆连接，其特征为，所述的变形板中部设置有变形测试布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅通过单模单芯光纤连接温度补偿布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅和所述的温度补偿布拉格裸光栅都连接至布拉格光栅解调仪。上述技术方案中，优选的，所述的沉降杆分为上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之间通过连接套管连接，所述的连接套管上还设置有附重块，所述的下段部和所述的连接套管上套设有沉降套管，所述的沉降套管顶部与所述的附重块之间具有空隙。上述技术方案中，优选的，所述的变形板为等腰三角形，所述变形板的顶角固定在所述的沉降杆顶部，在所述变形板上与顶角相对的底边固定在所述的固定板上，所述的变形测试布拉格裸光栅设置在变形板的中心线上。上述技术方案中，优选的，所述的温度补偿布拉格裸光栅放置在空心套管内。上述技术方案中，优选的，所述的固定板一侧设置有凹槽，所述变形板的底边可在凹槽内移动，所述的变形板通过螺栓固定在所述的固定板上。上述技术方案中，优选的，所述的连接套管外表面有外螺纹，所述的附重块中间有内螺纹，所述的附重块可通过螺纹与连接套管固定并上下移动。上述技术方案中，优选的，所述的布拉格光栅解调仪分辨率至少为到1με，采样率至少为每秒500个数据。在岩土工程领域中，工程人员为了分析土体的变形机理，常常需用通过某种手段测试土体沉降。常见的土体沉降测试方法主要有LVDT以及百分表。对于LVDT，通常受到电磁干扰的影响，其工作精度常常会大打折扣；对于百分表，其数据不能实时记录，需要较多的人力去记录数据，并且其数据的连贯性很难保证。本专利技术提供了一种基于光纤传感器的土体沉降测试系统，该系统用布拉格光栅传感器测试变形板的应变，在此基础上将变形板的应变转换为变形板端部的挠度，以此测试得到沉降杆的沉降，从而测试得到变形板所处位置土体的沉降。本专利技术系统的理论依据为：假定变形板所布置土层发生的沉降为S，由于沉降杆外部套有沉降套管，变形板和沉降杆可以无约束上下移动。则相应的变形板的竖向位移同为S，同理变形板的竖向位移通过沉降杆传递至变形板的端部，则变形板端部的挠度w也为S。假定变形板端部的挠度为w时，变形板所受沉降杆的集中力为F。变形板的挠度微分方程w″(x)为：w″(x)式中x为变形板任意位置距离固定板的水平距离，M(x)为x位置处的弯矩，I(x)为x位置处的惯性矩，E为弹性模量。w″(x)式中M(x)＝F·(l-x)，I(x)＝(l-x)·B·h3/12l。I(x)式中B变形板与固定板交接处的宽度，h为变形板的厚度，l变形板的长度。将M(x)以及I(x)代入挠度微分方程w″(x)得到：对w″(x)积分得到：由于变形板与固定板连接处为固定连接，因此当x＝0时，w″(x)＝0，w′(x)＝0，代入上述微分方程得到：C1＝0，C2＝0。则，由于变形板端部的挠度w(l)即为变形板6的竖向位移S，为此有由于变形板端部集中力F的作用线，变形板上部的应变ε为：W(x)为x位置处的抗弯刚度，则W(x)＝B·(l-x)·h2/6l，将W(x)带入可的又可的将F带入可得对于应变ε的布拉格光栅测量原理如下：ε＝k·Δλ，式中k为布拉格光栅的应变ε随布拉格光栅波长变化值Δλ的变化系数，布拉格光栅波长变化值Δλ为：Δλ＝Δλ1-Δλ2式中：Δλ1为变形测试布拉格裸光栅的波长变化值，Δλ2为温度补偿布拉格裸光栅的波长变化值，且有：Δλ＝Δλ1-Δλ2＝(λ1′-λ1)-(λ2′-λ2)＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)。λ1′为沉降测试过程中变形测试布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的波长值，λ2′为沉降测试过程中温度补偿布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的波长值，λ1为沉降观测系统安装完成后变形测试布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的初始波长值，Δλ2为沉降观测系统安装完成后温度补偿布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪上测试得到的初始波长值。布拉格光栅的波长和布拉格光栅的应变呈良好的线性惯性，其测试的精度能达到1με，据此将其代入式可以得到本专利技术的测量精度和变形板的长度以及厚度有关系。将ε＝k·Δλ代入得到土体沉降随布拉格波长变化值变化系数将Δλ＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)代入可得布拉格裸光栅应变随布拉格裸光栅波长变化值变化系数k一般由布拉格裸光栅出厂参数提供。本专利技术通过变形板与土体的同步沉降来测量土体的沉降变形，而变形板通过沉降杆与变形板相连接，为了保证变形板端部的挠度变形与土体的沉降变形同步，需保证在土体沉降过程中变形板能够产生足够的挠度变形。而变形板的挠度变形主要依托沉降杆、变形板以及附重块的自重产生。为此沉降杆、变形板以及附重块三者的自重和所能产生的变形板挠度应在沉降观测系统的测量量程范围内。根据可得假定土体沉降最大量程Smax，则有εmax为最大量程Smax所对应变形板应变，将εmax代入有这样Fmax就为沉降观测系统为达到量程为Smax时所需附重块的最小附重。与现有技术相比，本测量系统采用光纤传感器，避免了电磁干扰的影响，同时还具有温度补偿功能，本专利技术所提出的测量系统工作稳定、测量精度高，并且可以根据测量需求进行调节和更改，能够适应绝大多数沉降面的测量。附图说明图1为本专利技术的俯视图。图2为本专利技术的侧视图图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。实施例1，如图1和图2所示：一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括变形板1、固定板2、沉降杆3和变形板6，所述的沉降杆3设置在所述的变形板6上，所述的变形板1一端固定在固定板2上另一端与沉降杆3连接。所述的沉降杆3分为上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之间通过连接套管5连接，所述的连接套管5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括变形板（1）、固定板（2）、沉降杆（3）和变形板（6），所述的沉降杆（3）设置在所述的变形板（6）上，所述的变形板（1）一端固定在固定板（2）上另一端与沉降杆（3）连接，其特征为，所述的变形板（1）中部设置有变形测试布拉格裸光栅（8），所述的变形测试布拉格裸光栅（8）通过单模单芯光纤（10）连接温度补偿布拉格裸光栅（9），所述的变形测试布拉格裸光栅（8）和所述的温度补偿布拉格裸光栅（9）都连接至布拉格光栅解调仪（11）。

【技术特征摘要】
1.一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括变形板（1）、固定板（2）、沉降杆（3）和变形板（6），所述的沉降杆（3）设置在所述的变形板（6）上，所述的变形板（1）一端固定在固定板（2）上另一端与沉降杆（3）连接，其特征为，所述的变形板（1）中部设置有变形测试布拉格裸光栅（8），所述的变形测试布拉格裸光栅（8）通过单模单芯光纤（10）连接温度补偿布拉格裸光栅（9），所述的变形测试布拉格裸光栅（8）和所述的温度补偿布拉格裸光栅（9）都连接至布拉格光栅解调仪（11）。2.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，其特征为，所述的沉降杆（3）分为上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之间通过连接套管（5）连接，所述的连接套管（4）上还设置有附重块（7），所述的下段部和所述的连接套管（5）上套设有沉降套管（4），所述的沉降套管（4）顶部与所述的附重块（7）之间具有间隙。3.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，其特征为，所述的变形板（...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪焱卫，
申请(专利权)人：宁波建工建乐工程有限公司，宁波建乐建筑装潢有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33