基于光纤传感器的岩土变形监测仪、系统以及测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪、系统以及测量方法，涉及岩土、矿业工程上覆岩层变形监测技术领域。该岩土变形监测仪，首先将岩土的变形位移转换为水平方向的挡板位移，再通过挡板位移转换为第一磁性齿轮与第二磁性齿轮，即大齿轮和小齿轮的转动，通过大、小齿轮的同轴转动可放大或缩小原本的位移，使原本的水平位移转变为中空金属杆的竖直位移，水平位移与竖直位移之比等于第一磁性齿轮和第二磁性齿轮半径之比；通过反射镜面与光纤所构成的法珀腔的腔长的变形量，进而得出中空金属杆端的竖直位移，最终确定岩土位移的变化量。本发明专利技术岩土变形监测仪内部无电子元器件，避免了外部环境的干扰，具有抗电磁干扰、测量精度高的优点。量精度高的优点。量精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤传感器的岩土变形监测仪、系统以及测量方法


[0001]本专利技术涉及岩土、矿业工程上覆岩层变形监测
，具体涉及一种岩土变形监测仪，尤其涉及一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪、系统以及测量方法。

技术介绍

[0002]在岩土工程、矿业工程当中上覆岩土的稳定性、安全性一直是研究者们关注的重点。
[0003]岩土体变形监测与防治是关乎矿业工程和岩土工程安全性的重要内容，其主要特点是为了获得矿业工程、岩土工程上覆岩土体的变形情况，事先在岩土体内部通过钻孔等方式安装、预埋地下位移测量传感器或监测仪器，一旦地下岩土体内部产生滑动、沉降等变形，地下位移测量仪器(传感器)能自动检测到上述地质结构参数的变化。
[0004]根据监测位移的不同分为水平位移监测和竖直位移监测两大类，监测地下岩土体水平位移为测斜仪，监测竖直位移的为沉降仪。目前针对于岩土体多点分层沉降的监测仪器较少，监测的主要方法为磁环式、伸缩杆式，根据原理的不同可分为电磁式、光纤式以及振弦式。目前现有技术有关岩土变形监测方面的研究报道主要有：申请号201210308383.X公开了一种岩土体内部变形及湿度监测装置，包括：机械装置，机械装置上设置有控制电路，控制电路实时存储从塑料轨道上获取的电磁感应峰值点的大小和位置，并实时监测岩土体内部湿度数据；对电磁感应峰值点的大小、位置和内部湿度数据进行分析处理，获取岩土体内部的变形值和湿度值。岩土体内部发生变形就会改变正方形磁铁的位置，就会引起峰值点的大小和位置，微处理器和驱动芯片实时处理和接受数据，从而确定岩土体的变形值，湿度传感器实时监测岩土体内部的湿度。
[0005]申请号202221474552.2公开了一种岩土体内部变形及湿度监测装置，包括塑料轨道、能够在塑料轨道内行走的机械装置以及安装在机械装置上的控制电路，控制电路实时存储从塑料轨道上获取的电磁感应峰值点的大小和位置，并实时监测岩土体内部湿度数据，机械装置包括主体和位于主体上下两侧的滚轮，控制电路安装在主体上，主体的上下两侧通过滚轮与塑料轨道的内壁连接，主体的其中一端连接有牵引绳，牵引绳远离主体的一端伸出塑料轨道外。
[0006]上述现有技术虽然都可对岩土体的变形进行监测，但是因普通位移传感器的传输距离有限，易受外界磁场干扰影响、稳定性差、难以长期实时监测以及易受复杂恶劣的野外工作环境影响等缺点，对于位移变形测量难以保证测量精度，且不具备远距离监测及数据传输功能，导致电类传感器的应用受到了极大限制。
[0007]由此可见，现有技术还有待于进一步改进。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的之一在于提供一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪，其内部无电
子元器件，避免了外部环境的干扰，具有抗电磁干扰、测量精度高的优点。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪，其包括插设件和分布式光纤，所述的插设件包括插设主体和导向头，在所述的插设主体的顶部和底部设置有保护罩；所述的分布式光纤在插设主体的径向方向上设置有若干段，其中每段分布式光纤均安装在所述的插设主体上，其中每段分布式光纤的水平方向上设置有呈周向排列的四个监测部；每个监测部包括挡板、带有金属齿条的杆体、第一磁性齿轮、第二磁性齿轮、中空金属杆、塑料杆、连接器、金属板、反射镜面、光纤以及第二钢管，所述的挡板位于带有金属齿条的杆体的一端，且所述的挡板在靠近岩土的一侧设置；在所述的挡板的相对侧的带有金属齿条的杆体上设置同轴运动的第一磁性齿轮和第二磁性齿轮，所述的第一磁性齿轮位于所述的第二磁性齿轮的外侧，在所述的带有金属齿条的杆体上设置所述的中空金属杆，所述的中空金属杆上设置有与所述的第二磁性齿轮相啮合的齿条，在所述的中空金属杆的顶部设置所述的光纤；在所述的光纤的上方设置所述的金属板，所述的金属板的底面设置与所述的光纤始终保持垂直的反射镜面，所述的光纤与所述的反射镜面形成法珀腔，当所述的挡板随着岩土变形发生位移时，带动所述的第一磁性齿轮和第二磁性齿轮做同轴转动，并引起反射镜面与光纤的间距发生改变；所述的第二钢管的外表面预留设置有四个孔洞，每个孔洞对应安装各自监测部上的带有金属齿条的杆体，每个带有金属齿条的杆体可在对应的孔洞上无阻尼运动。
[0010]上述技术方案直接带来的有益技术效果为：通过在插设主体的径向方向上设置若干段分布式光纤，可实现在垂直方向上对岩土进行监测，通过在每段分布式光纤的水平方向上设置呈周向排列的四个监测部，可形成在水平方向上对岩土进行监测的监测网络，以达到对岩土内部位移的实时、精准监测；上述技术方案中，通过将岩土的变形位移转换为水平方向的挡板位移，再通过挡板位移转换为第一磁性齿轮与第二磁性齿轮，即大齿轮和小齿轮的转动，通过大、小磁性齿轮的同轴转动缩小原本的位移（依据岩土内部具体变形情况而定，若变形大则缩小，若变形小则放大），使原本的水平位移变缩小为中空金属杆的竖直位移，水平位移与竖直位移之比等于第一磁性齿轮和第二磁性齿轮半径之比；通过金属板上反射镜面与光纤所构成的法珀腔的腔长的变形量，进而得出中空金属杆端的竖直位移，最终确定岩土位移的变化量。
[0011]作为本专利技术的一个优选方案，所述的导向头设置在所述的插设主体的底端；四个监测部在其圆心方向上呈两两对称排布；在所述的插设主体的顶部的保护罩的中心固定设置有第一钢管；所述的插设主体为防止岩土进入分布式光纤内部的防水布，顶部的保护罩、底部的保护罩与防水布一起形成可阻挡岩土进入分布式光纤内部的密闭体；所述的塑料杆固定在所述的第二钢管上，连接器固定在所述的塑料杆上；所述的金属板、第一钢管、第二钢管之间通过螺栓固定连接在一起。
[0012]作为本专利技术的另一个优选方案，四个监测部串联在一起，形成可对水平方向上岩土进行监测的监测网络，相邻段的分布式光纤连接在一起，形成可对垂直方向上岩土进行
监测的监测网络。
[0013]进一步的，在所述的中空金属杆的顶端设置有固定卡箍，所述的固定卡箍用于对光纤进行固定。
[0014]进一步的，所述的第二钢管在所述的插设主体的横向方向上呈圆形设置。
[0015]优选的，在所述的挡板的后方设置有用于增强挡板刚度的第一传力臂和第二传力臂。
[0016]优选的，所述的塑料杆用环氧树脂粘结剂固定在所述的第二钢管的内部，所述的连接器用环氧树脂粘结剂固定在所述的塑料杆上。
[0017]本专利技术的另一目的在于提供一种基于光纤传感器的岩土变形测量系统，包括微处理器、信息显示模块、电源模块、控制按键模块以及上述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪；所述的微处理器用于将所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪得到的数据进行采集并运算，所述的信息显示模块、电源模块和控制按键模块与所述的微处理器进行连接。
[0018]本专利技术的再一目的在于提供一种基于光纤传感器的岩土变形测量方法，测量方法依次包括以下步骤：a、安装上述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪；b、将所述的基于光纤传感器的岩土变形监测仪置于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪，其包括插设件和分布式光纤，所述的插设件包括插设主体和导向头（3），在所述的插设主体的顶部和底部设置有保护罩，其特征在于：所述的分布式光纤在插设主体的径向方向上设置有若干段，其中每段分布式光纤均安装在所述的插设主体上，其中每段分布式光纤的水平方向上设置有呈周向排列的四个监测部；每个监测部包括挡板（6）、带有金属齿条的杆体（7）、第一磁性齿轮（9）、第二磁性齿轮（10）、中空金属杆（13）、塑料杆（11）、连接器（12）、金属板（16）、反射镜面（14）、光纤（17）以及第二钢管（5），所述的挡板（6）位于带有金属齿条的杆体（7）的一端，且所述的挡板（6）在靠近岩土的一侧设置；在所述的挡板（6）的相对侧的带有金属齿条的杆体（7）上设置同轴运动的第一磁性齿轮（9）和第二磁性齿轮（10），所述的第一磁性齿轮（9）位于所述的第二磁性齿轮（10）的外侧，在所述的带有金属齿条的杆体（7）上设置所述的中空金属杆（13），所述的中空金属杆（13）上设置有与所述的第二磁性齿轮（10）相啮合的齿条，在所述的中空金属杆（13）的顶部设置所述的光纤（17）；在所述的光纤（17）的上方设置所述的金属板（16），所述的金属板（16）的底面设置与所述的光纤（17）始终保持垂直的反射镜面（14），所述的光纤（17）与所述的反射镜面（14）形成法珀腔，当所述的挡板（6）随着岩土变形发生位移时，带动所述的第一磁性齿轮（9）和第二磁性齿轮（10）做同轴转动，并引起反射镜面（14）与光纤（17）的间距发生改变；所述的第二钢管（5）的外表面预留设置有四个孔洞，每个孔洞对应安装各自监测部上的带有金属齿条的杆体（7），每个带有金属齿条的杆体（7）可在对应的孔洞上无阻尼运动。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪，其特征在于：所述的导向头（3）设置在所述的插设主体的底端；四个监测部在其圆心方向上呈两两对称排布；在所述的插设主体的顶部的保护罩（2）的中心固定设置有第一钢管（4）；所述的插设主体为防止岩土进入分布式光纤内部的防水布（1），顶部的保护罩（2）、底部的保护罩与防水布（1）一起形成可阻挡岩土进入分布式光纤内部的密闭体；所述的塑料杆（11）固定在所述的第二钢管（5）上，连接器（12）固定在所述的塑料杆（11）上；所述的金属板（16）、第一钢管（4）、第二钢管（5）之间通过螺栓（8）固定连接在一起。3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪，其特征在于：四个监测部串联在一起，形成可对水平方向上岩土进行监测的监测网络，相邻段的分布式光纤连接在一起，形成可对垂直方向上岩土...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奇，牛家宝，笪雨欣，刘相林，梁智昊，许家杭，卞景强，李青海，赵金海，柴敬，朱磊，赵勇强，柳军修，郑建伟，高登彦，邓明，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：