一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法，监测装置包括环式传感器、光频域反射解调仪和光纤数据处理模块；环式传感器由薄壁圆环、应变感测光纤及温度感测光纤构成，其中，薄壁圆环由弹性模量等于土体压缩模量的材料制成，应变感测光纤和温度感测光纤布设在薄壁圆环开设的槽内。本发明专利技术监测时，将环式传感器埋设在待测土体中，当土体应力场变化时，薄壁圆环随土体发生变形；光频域反射解调仪连续采集应变感测光纤和温度感测光纤的应变数据，对应变感测光纤的应变数据进行温度补偿后，得到环式传感器的实时环向应变；将实时环向应变数据传输至光纤数据处理模块，基于弹性力学理论计算，得到原位土应力的变化。本发明专利技术实现了土应力多向实时监测，弥补了传统土压力传感器单向监测的劣势。了传统土压力传感器单向监测的劣势。了传统土压力传感器单向监测的劣势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法


[0001]本专利技术涉及土体应力监测装置，尤其涉及一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法。

技术介绍

[0002]在实际工程中，如何得到真实的土体应力大小一直是岩土工程监测的重点和难点。传统的土压力传感器一般由金属材料制成，变形刚度较大，其安装对土体应力场扰动很大，因此不能准确测量土体应力。此外，传统的土压力传感器包括振弦式、电感式和差动电阻式。振弦式土压力传感器原理为利用内置钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得土压力；电感式土压力传感器是根据电磁感应原理，利用线圈电感的变化来实现非电量电测，将土压力转换为电感量变化；差动电阻式土压力传感器原理为利用内腔中弹性钢丝在力和温度变化下发生弹性变形，其变形值与钢丝电阻成线性关系，通过电阻变化得到监测值。这些传感器均存在着长期稳定性较差、耐久性差、易受电磁干扰等不足，不能满足信息化自动化实时监测的要求。
[0003]随着光纤传感技术的迅速发展，光纤传感器因其响应快、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小巧、可自动化实时监测等诸多优点，被广泛地运用于岩土工程监测领域。而如何基于光纤传感技术来对土体应力进行精确监测，成为一个亟需解决的技术问题。
[0004]目前应用于土体应力监测的光纤传感技术主要为光纤光栅技术，且光纤光栅通常黏贴于一弹性膜片上，通过监测膜片的应变来推算沿膜片法向的应力，因此该技术大多为准分布式、单向监测，不能实现多方向应力监测。近年来，虽然已有学者基于光纤光栅技术专利技术了多向土应力监测装置，但这些多向土应力监测装置往往由多个单向土压力盒构成，具有体积过大、出线复杂、安装繁琐等劣势。部分学者在此基础上进行改进，研发了光纤光栅多向土应力的一体化监测传感器，然而这些传感器壳体为刚度很大的金属材料，只适用于岩体深部的地应力监测，而对较小的应力不敏感，因此不适用于土应力监测。此外，光纤光栅土应力传感器在受力不均时或温度变化较大时，均易引起监测误差。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法，该监测装置及监测方法实现了全方位的土应力自动化监测，且刚度小、灵敏度高，弥补了传统的土压力传感器单向监测、长期稳定性差、耐久性差、易受电磁干扰、对原土体应力场扰动大的技术缺陷。
[0006]技术方案：为实现上述目的，本专利技术基于光频域反射的土体多向应力监测装置包括环式传感器、光频域反射解调仪和光纤数据处理模块；
[0007]环式传感器包括薄壁圆环、应变感测光纤和温度感测光纤；
[0008]薄壁圆环由弹性模量等于土体压缩模量的材料制成；
[0009]应变感测光纤和温度感测光纤采用环氧树脂粘贴在薄壁圆环开设的U型槽内。
[0010]本专利技术基于光频域反射的土体多向应力监测方法包括以下步骤：
[0011](1)沿薄壁圆环呈环向开两个U型槽，利用环氧树脂将应变感测光纤和温度感测光纤固定在U型槽内，应变感测光纤全长采用环氧树脂粘贴在薄壁圆环的U型槽内，而温度感测光纤通过环氧树脂定点固定在薄壁圆环的U型槽内；薄壁圆环、应变感测光纤和温度感测光纤共同构成环式传感器，并将环式传感器埋设在待监测应力的土体中；
[0012](2)将应变感测光纤和温度感测光纤通过光纤跳线与光频域反射解调仪相连；
[0013](3)利用光频域反射解调仪实时采集应变感测光纤和温度感测光纤的应变数据；
[0014](4)将应变感测光纤的应变数据减去温度感测光纤的应变数据，得到环式传感器的实时环向应变ε
θ
；
[0015]其中，实时环向应变包含了很多数值，由实时环向应变形成的曲线包括有最大值与最小值，该最大值与最小值的位置与土体实际应力方向有关，θ值表示的是坐标系中的角度。
[0016](5)当土体应力发生变化时，薄壁圆环和应变感测光纤随土体发生变形，光频域反射解调仪对环式传感器进行环向应变数据实时采集，将采集到的实时环向应变数据传输至光纤数据处理模块，基于弹性力学理论计算待测位置的土体的球应力σ0和偏应力σ
r
，进而计算得到待测位置的土体应力σ：
[0017]过程为：
[0018][0019]式中，σ0代表土体所受球应力；E为薄壁圆环的弹性模量；ν为泊松比；r1为薄壁圆环外径，r2为薄壁圆环内径；ε
max
为最大环向应变值；ε
min
为最小环向应变值；
[0020]假设薄壁圆环(1)受纯弯曲作用，在受偏应力后薄壁圆环的横截面由圆形变成了椭圆形，假设在小变形的情况下，薄壁圆环内外径与椭圆长短轴之间满足以下关系：
[0021]a
‑
r
m
＝r
m
‑
b
[0022]式中，a为椭圆半长轴，b为椭圆半短轴，r
m
为管体内外半径平均值；
[0023]设椭圆长轴方向为x轴，短轴方向为y轴；椭圆与x轴交点为A点，与y轴交点为B点；B点监测应变值为压应变，且应变值最小；A点应监测的应变为拉应变，且应变值最大；土体所受偏应变与其所引起的环式传感器环向应变之间存在如下关系：
[0024][0025]式中，σ
r
代表土体所受偏应力；ν为泊松比；ε
max
为最大环向应变值；ε
min
为最小环向应变值；θ代表图3中由x轴正向沿第一象限向y轴正向旋转的角度，取值范围为0
°‑
360
°
；k为常数，通过标定试验确定；
[0026]得出
[0027][0028]式中，σ0代表土体所受球应力；σ
r
代表土体所受偏应力；E为薄壁圆环的弹性模量；ν为泊松比；r1为薄壁圆环外径；r2为薄壁圆环内径；ε
max
为最大环向应变值；ε
min
为最小环向应
变值；θ代表图3中由x轴正向沿第一象限向y轴正向旋转的角度，取值范围为0
°‑
360
°
；k为常数，通过标定试验确定。
[0029]步骤(1)中，沿薄壁圆环的环向所刻U型槽的深度与应变感测光纤或温度感测光纤的直径相同，用以增加光纤与薄壁圆环的接触面积，保证变形过程中光纤与薄壁圆环耦合良好。
[0030]薄壁圆环的侧面涂抹减小摩擦力的凡士林。
[0031]步骤(1)中的温度感测光纤用于温度补偿。
[0032]步骤(1)中的薄壁圆环的顶端和底端封口。
[0033]工作原理：光纤领域中的光频域反射(OFDR)技术是一种基于瑞利散射光变化的应变监测技术，光源发出线性扫描的连续光被耦合器分为两路，其中一束作为参考光，另一束作为探测光发射到待测光纤中。探测光在光纤中向前传播时会不断产生瑞利散射信号，这些信号光与反射回来的参考光经过耦合器并发生拍频干涉，之后被光电探测器检测。当光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置，其特征在于：所述监测装置包括环式传感器、光频域反射解调仪(5)和光纤数据处理模块(6)；所述环式传感器包括薄壁圆环(1)、应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)；所述薄壁圆环(1)由弹性模量等于土体压缩模量的材料制成；所述应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)采用环氧树脂粘贴在薄壁圆环(1)开设的U型槽内。2.一种基于光频域反射的土体多向应力监测方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)沿薄壁圆环(1)呈环向开设两个U型槽，利用环氧树脂将应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)粘贴在U型槽内，薄壁圆环(1)、应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)构成环式传感器，并将所述环式传感器埋设在待监测应力的土体中；(2)将应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)通过光纤跳线(4)与光频域反射解调仪(5)相连；(3)利用光频域反射解调仪(5)实时采集应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)的应变数据；(4)将应变感测光纤(2)的应变数据减去温度感测光纤(3)的应变数据，得到所述环式传感器的实时环向应变；(5)当土体应力发生变化时，薄壁圆环(1)和应变感测光纤(2)随土体发生变形，光频域反射解调仪对环式传感器进行环向应变数据实时采集，将采集到的实时环向应变数据传输至光纤数据处理模块(6)，基于弹性力学理论计算待测位置的土体的球应力σ0和偏应力σ
r
，进而计算得到待测位置的土体应力σ，过程为：式中，σ0代表土体所受球应力；E为薄壁圆环的弹性模量；ν为泊松比；r1为薄壁圆环外径，r2为薄壁圆环内径；ε
max
为最大环向应变值；ε
min
为最小环向应变值；假设薄壁圆环(1)受纯弯曲作用，在受偏应力后薄壁圆环的横截面由圆形变成了椭圆形，假设在小变形的情况下，薄壁圆环内外径与椭圆长短轴之间满足以下关系：a
‑
r
m
＝r
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿鹄，高宇新，王德洋，王静，程刚，施斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：