一種基於布拉格光柵的土體沉降觀測系統的製作方法

2023-11-10 07:32:47 1

本發明涉及一種土體沉降觀測系統，尤其涉及一種全自動土體沉降觀測系統。

背景技術：

巖土工程領域中，變形以及穩定是兩大基本難點，而土體的變形是許多工程人員極為關注的問題之一。目前常見的土體沉降測試方法主要是通過變形板配套LVDT或者百分表來觀測。LVDT是通過電磁感應的原理來測試沉降，在變形板發生沉降的過程中，在一定範圍內變形板的沉降與電壓呈線性變化，通過測試LVDT的電壓從而轉換成沉降。LVDT的精度隨量程的變化而變化，一般為量程的0.24％，即如若量程為10cm，那麼其精度為0.24mm。然而由於LVDT為電感式傳感器，在實際操作過程中，常常受到電磁幹擾的影響，在極大程度上影響到了其工作精度。如若用百分表測試變形板的沉降，其數據有較高的可靠性，並且精度較高，精度可以達到0.01mm，然而需要人工讀數，不能全自動記錄數據，這在一定程度上為後期數據的處理和分析帶來了一定的弊端。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中的不足，提供了一種基於布拉格光柵的土體沉降觀測系統，本測量系統採用光纖傳感器，避免了電磁幹擾的影響，同時還具有溫度補償功能，本發明所提出的測量系統工作穩定、測量精度高，並且可以根據測量需求進行調節和更改，能夠適應絕大多數沉降面的測量。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案為：一種基於布拉格光柵的土體沉降觀測系統，包括變形板、固定板、沉降杆和變形板，所述的沉降杆設置在所述的變形板上，所述的變形板一端固定在固定板上另一端與沉降杆連接，其特徵為，所述的變形板中部設置有變形測試布拉格裸光柵，所述的變形測試布拉格裸光柵通過單模單芯光纖連接溫度補償布拉格裸光柵，所述的變形測試布拉格裸光柵和所述的溫度補償布拉格裸光柵都連接至布拉格光柵解調儀。

上述技術方案中，優選的，所述的沉降杆分為上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之間通過連接套管連接，所述的連接套管上還設置有附重塊，所述的下段部和所述的連接套管上套設有沉降套管，所述的沉降套管頂部與所述的附重塊之間具有空隙。

上述技術方案中，優選的，所述的變形板為等腰三角形，所述變形板的頂角固定在所述的沉降杆頂部，在所述變形板上與頂角相對的底邊固定在所述的固定板上，所述的變形測試布拉格裸光柵設置在變形板的中心線上。

上述技術方案中，優選的，所述的溫度補償布拉格裸光柵放置在空心套管內。

上述技術方案中，優選的，所述的固定板一側設置有凹槽，所述變形板的底邊可在凹槽內移動，所述的變形板通過螺栓固定在所述的固定板上。

上述技術方案中，優選的，所述的連接套管外表面有外螺紋，所述的附重塊中間有內螺紋，所述的附重塊可通過螺紋與連接套管固定並上下移動。

上述技術方案中，優選的，所述的布拉格光柵解調儀解析度至少為到1με，採樣率至少為每秒500個數據。

在巖土工程領域中，工程人員為了分析土體的變形機理，常常需用通過某種手段測試土體沉降。常見的土體沉降測試方法主要有LVDT以及百分表。對於LVDT，通常受到電磁幹擾的影響，其工作精度常常會大打折扣；對於百分表，其數據不能實時記錄，需要較多的人力去記錄數據，並且其數據的連貫性很難保證。本發明提供了一種基於光纖傳感器的土體沉降測試系統，該系統用布拉格光柵傳感器測試變形板的應變，在此基礎上將變形板的應變轉換為變形板端部的撓度，以此測試得到沉降杆的沉降，從而測試得到變形板所處位置土體的沉降。

本發明系統的理論依據為：假定變形板所布置土層發生的沉降為S，由於沉降杆外部套有沉降套管，變形板和沉降杆可以無約束上下移動。則相應的變形板的豎向位移同為S，同理變形板的豎向位移通過沉降杆傳遞至變形板的端部，則變形板端部的撓度w也為S。假定變形板端部的撓度為w時，變形板所受沉降杆的集中力為F。變形板的撓度微分方程w″(x)為：w″(x)式中x為變形板任意位置距離固定板的水平距離，M(x)為x位置處的彎矩，I(x)為x位置處的慣性矩，E為彈性模量。w″(x)式中M(x)＝F·(l-x),I(x)＝(l-x)·B·h3/12l。I(x)式中B變形板與固定板交接處的寬度，h為變形板的厚度，l變形板的長度。將M(x)以及I(x)代入撓度微分方程w″(x)得到：對w″(x)積分得到：由於變形板與固定板連接處為固定連接，因此當x＝0時，w″(x)＝0，w′(x)＝0,代入上述微分方程得到：C1＝0，C2＝0。則，由於變形板端部的撓度w(l)即為變形板6的豎向位移S，為此有由於變形板端部集中力F的作用線，變形板上部的應變ε為：W(x)為x位置處的抗彎剛度，則W(x)＝B·(l-x)·h2/6l，將W(x)帶入可的又可的將F帶入可得對於應變ε的布拉格光柵測量原理如下：ε＝k·Δλ，式中k為布拉格光柵的應變ε隨布拉格光柵波長變化值Δλ的變化係數，布拉格光柵波長變化值Δλ為：Δλ＝Δλ1-Δλ2式中：Δλ1為變形測試布拉格裸光柵的波長變化值，Δλ2為溫度補償布拉格裸光柵的波長變化值，且有：Δλ＝Δλ1-Δλ2＝(λ1′-λ1)-(λ2′-λ2)＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)。λ1′為沉降測試過程中變形測試布拉格裸光柵在布拉格光柵解調儀測試得到的波長值，λ2′為沉降測試過程中溫度補償布拉格裸光柵在布拉格光柵解調儀測試得到的波長值，λ1為沉降觀測系統安裝完成後變形測試布拉格裸光柵在布拉格光柵解調儀測試得到的初始波長值，Δλ2為沉降觀測系統安裝完成後溫度補償布拉格裸光柵在布拉格光柵解調儀上測試得到的初始波長值。

布拉格光柵的波長和布拉格光柵的應變呈良好的線性慣性，其測試的精度能達到1με，據此將其代入式可以得到本發明的測量精度和變形板的長度以及厚度有關係。將ε＝k·Δλ代入得到土體沉降隨布拉格波長變化值變化係數將Δλ＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)代入可得布拉格裸光柵應變隨布拉格裸光柵波長變化值變化係數k一般由布拉格裸光柵出廠參數提供。本發明通過變形板與土體的同步沉降來測量土體的沉降變形，而變形板通過沉降杆與變形板相連接，為了保證變形板端部的撓度變形與土體的沉降變形同步，需保證在土體沉降過程中變形板能夠產生足夠的撓度變形。而變形板的撓度變形主要依託沉降杆、變形板以及附重塊的自重產生。為此沉降杆、變形板以及附重塊三者的自重和所能產生的變形板撓度應在沉降觀測系統的測量量程範圍內。根據可得假定土體沉降最大量程Smax，則有εmax為最大量程Smax所對應變形板應變，將εmax代入有這樣Fmax就為沉降觀測系統為達到量程為Smax時所需附重塊的最小附重。

與現有技術相比，本測量系統採用光纖傳感器，避免了電磁幹擾的影響，同時還具有溫度補償功能，本發明所提出的測量系統工作穩定、測量精度高，並且可以根據測量需求進行調節和更改，能夠適應絕大多數沉降面的測量。

附圖說明

圖1為本發明的俯視圖。

圖2為本發明的側視圖圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

實施例1，如圖1和圖2所示：一種基於布拉格光柵的土體沉降觀測系統，包括變形板1、固定板2、沉降杆3和變形板6，所述的沉降杆3設置在所述的變形板6上，所述的變形板1一端固定在固定板2上另一端與沉降杆3連接。所述的沉降杆3分為上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之間通過連接套管5連接，所述的連接套管5上還設置有附重塊7。所述的下段部和所述的連接套管5上套設有沉降套管4，所述的沉降套管4頂部與所述的附重塊7之間具有空隙。所述的連接套管4外表面有外螺紋，所述的附重塊7中間有內螺紋，所述的附重塊7可通過螺紋與連接套管4固定並上下移動。所述的變形板1為等腰三角形，所述變形板1的頂角固定在所述的沉降杆3頂部，在所述變形板1上與頂角相對的底邊固定在所述的固定板2上，所述的固定板2一側設置有凹槽，所述變形板1的底邊可在凹槽內移動，所述的變形板1通過螺栓13固定在所述的固定板2上。所述的變形測試布拉格裸光柵8設置在變形板1中心線上。所述的變形測試布拉格裸光柵8通過單模單芯光纖10連接溫度補償布拉格裸光柵9，所述的變形測試布拉格裸光柵8和所述的溫度補償布拉格裸光柵9都連接至布拉格光柵解調儀11。所述的溫度補償布拉格裸光柵9放置在空心套管12內。所述的布拉格光柵解調儀分11辨率至少為到1με，採樣率至少為每秒500個數據。

變形板1宜採用彈性較好並且彈性模量較低的材料，以保證其具有較好的變形能力，優選地，變形板1可以選用鎂鋁合金作為製作材料，變形板的具體尺寸可以根據測量精度以及測量量程進行調整，並根據計算確定。固定板2宜選用彈性模量較大的材料，以保證沉降觀測系統在變形過程中其變形不會對測量精度造成影響，優選地，固定板2可以選用碳素鋼。沉降杆3、沉降套管4、連接套管5、變形板6、附重塊7可以選用普通鋼材製作完成。其具體尺寸可以根據需要確定，但是應保證沉降套管4的空腔直徑大於連接套管5的外徑以及沉降杆3的外徑。變形板6的尺寸可以根據實際測試土體的顆粒粒徑大小確定，優選地，變形板6的尺寸大小一般為10倍左右的土體顆粒粒徑，但是不宜小於10cm，其形狀宜選用正方形形狀。變形測試布拉格裸光柵8可以布置在變形板1中線處的任意位置，並用環氧樹脂粘貼在變形板1表面，優選地，應在環氧樹脂固化24小時後方可投入使用。溫度補償布拉格裸光柵9外部的空心套管12可以採用直徑為5mm長度為5cm的空心套管。布拉格光柵解調儀11可以選用Micron公司生產的光柵解調儀，其解析度可以達到1με，採樣率可以達到每秒500個數據。

本發明的具體操作包括：安裝固定，根據精度以及量程需要選取並製作合適尺寸以及合適材料的變形板1，對沉降觀測系統進行組裝。依據測量土體沉降的所需精度以及所需量程選取合適的變形板1材料和合適的變形板1尺寸，然後根據所需測量沉降的土體性質以及土層所在位置深度確定變形板6的尺寸以及沉降杆3和沉降套管4的長度。依據測量土體所需的量程以及變形板1的彈性模量以及變形板1的尺寸確定附重塊7的重量，為保證一定的餘量，附重塊7、變形板6以及沉降杆3的自重之和宜大於最小附重Fmax的20％至30％之間。將變形板1放置於固定板2的空腔內，並用螺栓13固定。將沉降杆3的上部分焊接固定在變形板1的端部，將沉降杆3的下部分固定在變形板6的中部，將沉降套管4套在與變形板6固定的沉降杆3上。用附重塊7套在連接套管5外側，並用連接套管5連接兩節沉降杆3。通過螺紋調節附重塊7的豎向位移，保證附重塊7底部與沉降套管4頂部有一定的距離。將變形測試裸光柵8用環氧樹脂粘貼在變形板1上部中線上的任意位置，將溫度補償布拉格裸光柵9放置於空心套管12內。將變形測試布拉格裸光柵8與溫度補償布拉格裸光柵9通過單模單芯光纖10連接，將布拉格光柵通過單模單芯光纖10與布拉格光柵解調儀11連接。

沉降標定，將製作好的沉降觀測系統進行標定，測試變形板6的豎向位移與布拉格光柵波長變化值之間的關係，得到標定係數。將沉降觀測系統通過固定板2固定在周邊無沉降的物體上。手動控制變形板6的豎向位移，並用百分表測試和記錄其位移，並同時測試布拉格光柵的波長變形值，測試並得到變形板6豎向位移關於布拉格光柵波長變化值之間的變化係數。中變形板6豎向位移關於布拉格光柵波長變化值之間的變化係數可以依據標定實驗測得，也可以依據理論計算係數確定。

現場測試，將沉降觀測系統中的變形板6埋入土體中，通過布拉格光柵解調儀11測試布拉格光柵波長的變化值，利用標定係數或者理論係數得到土體的沉降。將焊接有沉降杆3的變形板6布置於所需測試沉降的土層上，將沉降套管,5套在沉降杆3上，沉降套管5應露出土體表層10cm～15cm。將變形板1通過板固定板2固定在周圍無沉降的物體上，並保證變形板1與固定板2交接處固定無位移。將附重塊7套在連接套管5外側，將兩節沉降杆3通過連接套管5連接.調節附重塊7的豎向距離，保證附重塊7底部與沉降套管4頂部有一定的距離。用布拉格光柵解調儀11測量布拉格光柵的波長，並通過標定係數或理論係數換算得到土體沉降。