【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤光栅传感器领域，具体涉及一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置及方法。
技术介绍
1、边坡内部渗流场分布十分复杂，库水位变动、降雨强度等环境因素都会对边坡内部渗流产生影响，渗流又是影响边坡稳定的重要因素之一，因此通过对地下渗流进行监测，能够了解边坡内部发生的变形、裂缝发育情况。渗流监测是边坡安全稳定的保证，不仅可以为边坡稳定提供方案，还可以对边坡维护提供参考。现有的渗流监测方法有仪器法、电探法、示踪法等，传统的渗流监测手段由于监测原理、监测方式、装置体积和环境限制等因素，无法满足边坡渗流对监测精度高、持续监测能力和抗电磁干扰能力强的需要，限制了渗流监测的发展。
2、光纤光栅传感测量技术是一种以光波长为载体、布拉格光栅为敏感单元、光纤为传输媒介的新兴监测技术，以其优异的性能和良好的适应性正逐步受到当代研究的重视，具有电绝缘、高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、操作便捷等优势，能够在多种不同测量环境下维持较好的稳定性，受到了不少学者和工程师的青睐，已广泛地应用于航空工业、船舶航运、土木工程、石油化工、医疗、电力等领域中。
3、在渗流监测的过程中，不仅需要描述当前渗流的流速，还应该能准确判断当前渗流的流向，用以预测渗流带来的影响，这对于预防边坡失稳等安全事故具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置及方法，该装置及方法以光纤光栅、加热单元、倾角监测模块构成的光
2、本专利技术的第一方面，提供一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，包括壳体，所述壳体的两端螺纹连接有顶盖和底座；所述壳体表面沿周向构造有连续的s型凹槽，所述壳体内构造有圆柱空腔；所述壳体内设有温敏模块和倾角监测模块，所述温敏模块包括光纤光栅和加热单元，所述光纤光栅嵌接于所述s型凹槽内，所述加热单元设置在所述圆柱空腔内；所述倾角监测模块包括倾角监测芯片、芯片封装盒、倾角监测模块搭载平台，所述倾角监测模块搭载平台位于所述温敏模块上部，所述芯片封装盒连接在倾角监测模块搭载平台上，所述倾角监测芯片设置于所述芯片封装盒内；所述光纤光栅通过光纤连接后引出所述壳体，所述加热单元通过加热单元导线连接后引出所述壳体，所述倾角监测芯片采用倾角监测模块数据线连接后引出所述壳体。
3、优选的，所述壳体上设有偶数根所述光纤光栅。
4、优选的，所述壳体上设有8根所述光纤光栅。
5、优选的，所述倾角监测模块搭载平台顶部设有贯穿的第一孔洞第二孔洞，所述第一孔洞用于引出光纤，所述第二孔洞用于引出加热单元导线。
6、优选的，所述光纤、加热单元导线和倾角监测模块数据线合并为一根线缆统一铠装后引出所述壳体。
7、优选的，所述壳体与顶盖的螺纹连接部位放置橡胶垫圈，用于封闭壳体顶部。
8、本专利技术的另一方面，提供一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测方法，使用上述任意一项所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，具体包括：
9、加热单元通过热传导为装置及周围岩土体提供稳定的基础温度场；
10、发生渗流时，光纤光栅监测点的热量由流体与光纤光栅的热对流散失，渗流上游侧的热量先于下游侧开始流失；
11、温度的改变影响光纤光栅的有效光折射率和光栅周期，光纤光栅的反射中心波长随着发生漂移，通过光纤光栅采集边坡内部温度值，得到温度特征值变化率，得：
12、
13、其中，为温度特征值变化率，t、t0分别为fbg监测点当前温度和加热前稳定状态温度，t（λ）是关于λ的函数；λ为fbg反射光中心波长；δt为当前时刻到初始时刻的时间差；
14、基于温度特征值变化率，判断渗流流向：
15、
16、
17、其中，为渗流流向，为装置的初始方位角，该数据由倾角监测模块获取，为渗流监测角度计算值，a为偏差系数，，，，分别为上游侧监测点u、下游侧监测点d、左侧监测点l和右侧监测点r测得的温度特征值变化率。
18、优选的，还包括：线性拟合温度特征值变化率与渗流流速的关系曲线，通过所述关系曲线确定渗流流速。
19、相比于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
20、本专利技术首先绘制出渗流流速、流向与温度特征值的关系曲线，标定光纤光栅中心波长的漂移量与温度的关系，即可实现渗流流速、流向的测量；利用光纤连接多个光纤光栅，采用光波长作为信息传输，具有安全、高精度、响应速度快、对工作环境要求低以及适用于长时间和远距离检测等优势，适用于更多应用场景。
21、本专利技术的光纤光栅采用的封装方式区别于表贴式封装，利用温敏模块s型凹槽与光纤光栅直接接触，避免了因胶水材料不同导致的结果差异。
22、本专利技术基于热对流和热传导理论，渗流上游侧的热量先于下游侧开始流失，通过对上下游侧的降温曲线进行温度特征值量化，根据渗流流速、流向与温度特征值的关系曲线完成基于温度示踪的渗流监测。
23、本专利技术的传感器可以根据实际应用场景进行布设位置和数量的调整，具有较高的灵活性和实用性的优势。
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1.一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，包括壳体（1），所述壳体（1）的两端螺纹连接有顶盖（2）和底座（3）；所述壳体（1）表面沿周向构造有连续的S型凹槽（4），所述壳体（1）内构造有圆柱空腔（7）；所述壳体（1）内设有温敏模块和倾角监测模块，所述温敏模块包括光纤光栅（5）和加热单元（8），所述光纤光栅（5）嵌接于所述S型凹槽（4）内，所述加热单元（8）设置在所述圆柱空腔（7）内；所述倾角监测模块包括倾角监测芯片（10）、芯片封装盒（11）、倾角监测模块搭载平台（12），所述倾角监测模块搭载平台（12）位于所述温敏模块上部，所述芯片封装盒（11）连接在倾角监测模块搭载平台（12）上，所述倾角监测芯片（10）设置于所述芯片封装盒（11）内；所述光纤光栅（5）通过光纤（6）连接后引出所述壳体（1），所述加热单元（8）通过加热单元导线（9）连接后引出所述壳体（1），所述倾角监测芯片（10）采用倾角监测模块数据线（13）连接后引出所述壳体（1）。
2.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，所述壳体（1）上设有偶
3.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置及方法，其特征在于，所述壳体（1）上设有8根所述光纤光栅（5）。
4.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，所述倾角监测模块搭载平台顶部设有贯穿的第一孔洞（1201）第二孔洞（1202），所述第一孔洞（1201）用于引出光纤（6），所述第二孔洞（1202）用于引出加热单元导线（9）。
5.根据权利要求4所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，所述光纤（6）、加热单元导线（9）和倾角监测模块数据线（13）合并为一根线缆（14）统一铠装后引出所述壳体（1）。
6.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，所述壳体（1）与顶盖（2）的螺纹连接部位放置橡胶垫圈（15），用于封闭壳体顶部。
7.一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测方法，其特征在于，使用权利要求1-6任意一项所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，具体包括：
8.根据权利要求7所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测方法，其特征在于，还包括：线性拟合温度特征值变化率与渗流流速的关系曲线，通过所述关系曲线确定渗流流速。
...【技术特征摘要】
1.一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，包括壳体（1），所述壳体（1）的两端螺纹连接有顶盖（2）和底座（3）；所述壳体（1）表面沿周向构造有连续的s型凹槽（4），所述壳体（1）内构造有圆柱空腔（7）；所述壳体（1）内设有温敏模块和倾角监测模块，所述温敏模块包括光纤光栅（5）和加热单元（8），所述光纤光栅（5）嵌接于所述s型凹槽（4）内，所述加热单元（8）设置在所述圆柱空腔（7）内；所述倾角监测模块包括倾角监测芯片（10）、芯片封装盒（11）、倾角监测模块搭载平台（12），所述倾角监测模块搭载平台（12）位于所述温敏模块上部，所述芯片封装盒（11）连接在倾角监测模块搭载平台（12）上，所述倾角监测芯片（10）设置于所述芯片封装盒（11）内；所述光纤光栅（5）通过光纤（6）连接后引出所述壳体（1），所述加热单元（8）通过加热单元导线（9）连接后引出所述壳体（1），所述倾角监测芯片（10）采用倾角监测模块数据线（13）连接后引出所述壳体（1）。
2.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速流向监测装置，其特征在于，所述壳体（1）上设有偶数根所述光纤光栅（5）。
3.根据权利要求1所述的一种主动加热光纤光栅的地下渗流流速...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟永东，杨坤，张伟杰，蔡征龙，沐清云，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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