一種光纖光柵測斜儀及測斜算法的製作方法

2023-07-22 12:25:31

專利名稱：一種光纖光柵測斜儀及測斜算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測斜儀與測斜算法，特別是涉及一種利用光纖光柵傳感器為測量
部件的測斜儀與相應的測斜算法。
背景技術：
測斜儀是一種測定鑽孔傾角和方位角的原位監測儀器。自20世紀50年代開始應用在對土石壩、路基、邊坡及其隧道等巖土工程進行原位監測的領域，並廣泛應用於水利水電、礦產冶金、交通與城建巖土工程領域，在保證巖土工程設計、施工及其使用安全中。主要類型有電阻應變式、加速度計式和電子計式等。國內外使用的測斜儀的主要測量部件是利用磁通門傳感器或機械陀螺儀作為角速度傳感器與加速度計結合，測量方位角和傾斜角；主要的數據傳輸部件是鎧裝七芯電纜。現有的測斜儀在測量方面存在著測量精度差、壽命短、操作維修不方便等缺點，在數據傳輸方面又存在傳輸電纜帶寬有限，嚴重限制了地面以下數據傳輸的能力。因此使用時，現有的測斜儀使大量的地層信息不能或無法精確地傳到地面。 申請日為2006年7月17日，公開號為1932238，名稱為"全光纖數字測斜儀"的中國發明專利申請公開了一種全光纖數字測斜儀，該測斜儀採用光纖陀螺作為傳感器測量角速度，採用光纖光纜完成數據傳輸。由於光纖陀螺本身價格較高，體積也有一定的限度，因此造成了該"全光纖數字測斜儀"整體價格高、體積不夠小的缺點。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足提供一種光纖光柵測斜儀及相應的測斜算法。該測斜儀以光纖光柵作為測量傳感器，以光纖作為信號傳輸介質，具有精度高、靈敏度高、體積小、價格低的優點。測量得出的數據經測斜算法計算能夠快速準確地計算得出測斜儀的傾斜角度。 為實現上述目的，本發明的技術方案如下 —種光纖光柵測斜儀，包括光源1、波長解調設備2、光分路器3和傾斜計4 ;光源1和波長解調設備2連接在光分路器3的同一側，其特徵在於所述傾斜計4包括空心導管41和光纖光柵42 ;所述空心導管41的內部沿軸向平行布置至少一根光纖421 ;每根光纖421上聯接至少一個應變測量光柵422，當每根光纖421上各聯接多個應變測量光柵422時，為等距離串聯；每根光纖421上聯接的應變測量光柵422的位置對應相同；光纖421連接到光分路器3的另一側。 本發明提供的光纖光柵測斜儀採用光纖光柵作為測量傳感器安裝在測斜儀的傾斜計內。光纖光柵是一種新型的全光纖無源器件，是用光纖Bragg光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，其工作原理為用一對強紫外光柱所產生的幹涉條紋，對光敏光纖側面進行照射，可以對光芯處的折射率進行永久的周期性調製，從而製成一段折射率周期性變化的光柵。由於周期的折射率擾動僅對頻率很狹窄的小段光譜產生影響，當光波在光柵中傳播時，入射光將在這段被反射回來，其餘頻率的光譜則被透射過去，這樣光纖光柵起到選擇光波的作用。能夠被反射回去的波長必須滿足以下公式的條件
入b = 2neff A 式中，A B-光柵光柵反射的中心波長；
nrff-光柵纖芯的有效折射率；
A-光纖光芯折射率的調製周期。 從上式可以看出，如果纖芯的有效折射率或者調製周期發生變化，那麼反射波長也將發生變化。事實上如果光柵受到應力與溫度作用時，纖芯的有效折射率與調製周期都將發生變化。所以光纖光柵反射波長的變化可以表徵出所在環境的應力與溫度的變化。
根據以上原理，當本技術方案提供的傾斜計安裝在土體中施工孔內後，由於土體的長期蠕動和滑面位移的推力引起傾斜計發生變形或變位，並由此引起布置在傾斜計上的光纖發生微小變形，引起光纖光柵反射波長的變化。因而通過測量光纖光柵反射波長的變化，就能夠得到傾斜計的傾斜角度的變化特徵，計算得到土體變形或變位的數值。同時再結合巖土力學的相關原理，還可計算出土體中的相應位點應力的大小和方向的變化。
上述光纖光柵測斜儀的傾斜計的空心長管可以進一步設計為採用鋼性管與柔性管相間隔的結構，且在鋼性管和柔性管中均布有光纖光柵，這種結構有利於測量土體非線性大變形。具體為將柔性管與剛性管依次間隔連接，使整個傾斜計設計為鏈杆結構，柔性管的作用類似鉸接。當該測斜儀在土體中受力發生形變時，柔性管成為轉角結點，剛性管與剛性管之間通過鉸只傳遞剪力，不傳遞彎矩。並且由於鋼性管和柔性管都相對粗短，長徑比較小，因此抗彎鋼度也較大。當傾斜計安裝在施工孔內後，在任意土推力作用下鋼性管發生平移或柔性管發生轉動，而管軸線仍然保持直線。則只要利用光纖光柵反射波長的變化的測量值確定柔性管(鉸)與剛性管之間的相對轉動角度，就可遞推計算得出傾斜計長管上任意一點的空間位移與變形。
本發明將傾斜計設計成鏈杆結構的益處還在於由於在鉸結點不傳遞彎矩，故在
任意一段鋼性管上，應力邊界條件只包括鉸施加的拉力與鋼性管周圍的土的作用力。後者
包括杆一側的土壓力，對應一側的土抗力和杆土之間的磨擦力(杆表面剪力)。由此，力學
模型簡化為側面和端點受力的剛性杆件結構，杆端不考慮彎矩作用，杆內應力分布可以理
想化為杆側土平均分布作用力的簡支梁，則很容易準確計算得出土體中的壓力分布情況。
本發明還提供如下與測斜儀配套使用的測斜算法，其技術方案如下 —種與上述光纖光柵測斜儀配合的測斜算法，其特徵在於按如下步驟進行 Sl、安裝光纖光柵測斜儀，確定測斜計露地面原點a 。的空間坐標真值(x。， y。)； S2、在測斜計露地面端施加力F，使測斜計發生彎曲變形，根據光柵解調變化值確
定測斜計空心導管(41)鏈杆結構任意結點cin處空間轉角值(an,x， an,y， aw)，其中(n，
x) ， (n， y) ， (n， z)分別為結點處在x軸，y軸，z軸的投影值; S3、根據公式1計算測斜計空心導管鏈杆結構上任意結點的空間坐標值。
A /7 =(^),凡,Z。 ) + (Dg《J .(.,2)g0^ .('，2)g《',:A訟式1
/二f /二f /=f 式中，1「i段測斜計鋼性管的長度(m); a i, (x,y,z)——i段測斜計柔性管處在x， y， z方向轉角值，(弧度)，由現場實測得到；
S4、根據公式2計算任意兩間任意點的空間坐標值。
12 , x — a:
'厶、
式2
乂2 — 乂l 力—乂 — 5 與現有技術相比，本發明的有益效果是採用光纖光柵傳感器作測量部件除了具有普通光纖傳感器尺寸小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁幹擾、使用安全可靠等優點外，還具有其獨特波長調製型、抗幹擾能力強，易於與光纖耦合、耦合損耗小，集"傳"與"感"於一體且具有更強的復用能力、易於構成傳感網絡，測量對象廣泛、易於實現多參數傳感測量的優點。測斜計空心長管採用鋼性杆與柔性杆相間隔的結構使得測斜儀杆內應力分布可以理想化為杆兩側土平均分布作用力的簡支梁，由此能解決測量杆上應力分布計算問題，並反演計算出相應土體位點的應力，包括杆兩側的土推力與土抗力。


圖1是光纖光柵測斜儀示意圖。
圖2是實施例一空心導管中光纖光柵布置縱剖面示意圖。圖3是實施例二空心導管中光纖光柵布置縱剖面示意圖。圖4是實施例二空心導管中光纖光柵布置橫剖面示意圖。圖5是實施例三、四空心導管中光纖光柵布置縱剖面示意圖,圖6是實施例五傾斜計示意圖。
圖7是實施例五金屬導管與柱狀部件連接結構示意圖。
圖8是連接螺栓縱剖面示意圖。
圖9是實施例六傾斜計示意圖。
圖10是實施例六傾斜計縱剖面局部放大示意圖。
圖11是圖10的A-A剖示圖。
圖12是實施例七光纖光柵布置橫剖面示意圖。
圖13是實施例九傾斜計與保護罩結構示意圖。
圖14是保護罩示意圖。
圖15是實施例十傾斜計工作狀態示意圖。
圖16是測斜算法原理圖。
圖中標號如下
l光源
2波長解調設備3光分路器4傾斜計41空心導管411金屬導管412柱狀部件413連接螺栓414法蘭盤
416柔性管417保護罩4171固定條4172固定孔42光纖光柵421光纖4211鎧裝光纜422應變測量光4423溫度補償光4
415剛性管
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明優選實施例作進一步的描述。
實施例一 如圖1、圖2所示。加工一種光纖光柵測斜儀，包括光源1、波長解調設備2、光分路器3和傾斜計4。 其中，傾斜計4包括空心導管41和光纖光柵42。空心導管41的內表面沿軸向平行粘貼有一根光纖421 ;光纖421上聯接一個應變測量光柵422。 光纖光柵測斜儀的光源1和波長解調設備2連接在光分路器3的同一側；光纖421用鎧裝光纜4211引出連接在光分路器3的另一側。
實施例二 如圖3、圖4所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例一中相同之處不再重複，其不同之處在於 空心導管41的內表面沿軸向平行粘貼有三根光纖421，三根光纖421間彼此等距。每根光纖421上聯接一個應變測量光柵422，並固定光柵區位於空心導管41正中部位，每根光纖421上聯接應變測量光柵422的位置對應相同。其中一根光纖421上還聯接有一個溫度補償光柵423。三根光纖421分別用鎧裝光纜4221引出連接到光分路器3的另一側。
實施例三 如圖5所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例二中相同之處不再重複，其不同之處在於 每根光纖421上等距離串聯有多個應變測量光柵422，串聯間距為10cm，每根光纖421上串聯的應變測量光柵422的位置對應相同。
實施例四 如圖5所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例二中相同之處不再重複，其不同之處在於 每根光纖421上等距離串聯有多個應變測量光柵422，串聯間距為15cm，每根光纖421上串聯的應變測量光柵422的位置對應相同。
實施例五 如圖6、圖7、圖8所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例一中相同之處不再重複，其不同之處在於 空心導管41由三段金屬導管411、一段長70mm直徑3mm的柱狀部件412、兩個連接螺栓413和一個法蘭盤414組成。三段金屬導管411中，一段長約94mm，其餘兩段等長約300mm。 柱狀部件412外表面上沿軸向平等粘貼有三根光纖421，三根光纖421間彼此等距。每根光纖421上聯接一個應變測量光柵422，每根光纖421上聯接的應變測量光柵422的位置對應相同，光柵區位於柱狀部件412正中部位。其中一根光纖421上還聯接有一個溫度補償光柵423。柱狀部件412兩端分別加工有8mm長的外螺紋。兩段300mm長的金屬導管411各有一端加工有15mm長的內螺紋。連接螺栓413
6的螺杆端加工有8mm長內螺紋，大頭端加工有15mm長外螺紋。兩個螺栓413的螺杆端分別與柱狀部件412兩端外螺紋相連接，大頭端分別與一段300mm長金屬導管411的內螺紋端連接。長度為94mm的金屬導管411固定在兩連接螺栓413之間，套在柱狀部件412外。
本實施方式中的光纖光柵測斜儀傾斜計4的空心導管41以金屬導管411為主體，通過柱狀部件412將光纖光柵固定在金屬導管411內。由於金屬材料具有一定的強度和韌性，因此當傾斜計4安裝後，能夠隨外力發生相應的形變，並藉助光纖光柵傳感器的特性反映出來，被解調儀識別。同時，金屬材料也是良好的溫度導體，能夠保證溫度補償光柵423的效用發揮。
實施例六 圖9、圖10、圖11所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例一、實施例五中相同之處不再重複，其不同之處在於 傾斜計的4的空心導管41是由剛性管415和柔性管416聯接成的鏈杆結構。空心導管41由兩段剛性管415，接連螺栓413， 一段長120cm的柔性管416、三段柱狀部件412和一個法蘭盤414組成。 剛性管415由金屬導管411、連接螺栓413和布置有光纖光柵的柱狀部件412構成，金屬導管411兩端均加工有15mm長內螺紋。通過連接螺栓413將柱狀部件412固定在金屬導管411內，具體結構同實施例五。 柔性管416外徑與接連螺栓413大頭端外徑相等，柔性管416由接連螺栓413固定在布置有光纖光柵的柱狀部件412夕卜，具體結構類似實施例五。 整個空心導管41通過連接螺栓413外螺紋與金屬導管411內螺紋的連接，構成剛性管415和柔性管416依次聯接而成的鏈杆結構。 應變測量光柵區位置分別位於剛性管415和柔性管416的正中部位。 本實施方式中的光纖光柵測斜儀中將空心長管41設計為柔性管416與剛性管415
依次間隔連接的鏈杆結構，柔性管416的作用類似鉸接。剛性管415與剛性管415之間通
過"鉸"只傳遞剪力，不傳遞彎矩。並且由於鋼性管415和柔性管416都相對粗短，長徑比減
小，因此抗彎鋼度也較大。當傾斜計4安裝在施工孔內後，在任意土推力作用下鋼性管415
發生平移或柔性管415發生轉動，而管軸線仍然保持直線。則只要確定柔性管(鉸)與剛
性管之間的相對轉動角度，就可遞推得到傾斜計長管上任意一點的位移。 為適應測斜儀不同的適用環境，本實施方式中的剛性管415和柔性管416可以選
用不同的材料組合。如，剛性管415選用不鏽鋼，柔性管416選用PVC材料；或者剛性管415
選用PVC材料，柔性管416選用軟性塑料；或者適應於測量環境需要的不同剛性和柔性材料
組合。只要傾斜計4的空心導管41結構表現為"剛"、"柔"相間的鏈杆結構，便屬於本發明
技術方案的範圍。 本實施方式中的"剛"、"柔"相間的鏈杆結構也不僅限於一段柔性管間隔兩段剛性管的數量。根據實際適用需要和材料特性，可以"剛"、"柔"依次間隔延長空心導管。並且，基於溫度補償光柵的作用，空心導管中溫度補償光柵的布置主要根據測斜儀適用環境的溫度變化特徵、傾斜計的長度、剛性管和柔性管的選材料等特徵確定，並不限於本實施方式中所述的方式。同時，本實施例中將應變測量光柵區布置在柱狀部件的中間部位是為了方便測斜儀在使用時角度位移計算的簡潔，而不是實現本技術方案不可改變的條件。
7
實施例七 如圖12所示，加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例六中相同之處不再重複，其不同之處在於 剛性管415中分別固定兩段柱狀部件412，並保證應變測量光柵區位於剛性管415
近兩端的部位。 實施例八 加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例六中相同之處不再重複，其不同之處在於 在剛性管415和柔性管416中，每根光纖421上等距離串聯有多個應變測量光柵422，串聯間距約12mm。每根光纖421上串聯的應變測量光柵422的位置對應相同。
每根光纖上串聯的應變測量光柵數目是由傾斜計的長度、設備性能、測量效果、測
量環境條件等確定的。
實施例九 如圖13、圖14所示。加工一種光纖光柵測斜儀，其與實施例六中相同之處不再重複，其不同之處在於在柔性管416外周安裝有保護罩417。 保護罩417主體為網狀，上下邊分別帶有一段固定條4171，固定條4171上有固定孔4172。用螺栓穿過固定孔4172可以將保護罩固定安裝在柔性管416外部。
實施例十 如圖15、圖16所示。 一種利用實施例六中的光纖光柵測斜儀實施的測斜算法。此實施例中僅以二維坐標值的計算為例說明計算過程，具體步驟如下 (1)安裝光纖光柵測斜儀，確定測斜計露地面原點a 。的空間二維坐標真值(x。，
y。)。 安裝光纖光柵測斜儀，利用靜態GPS給定出測斜計4露地面原點a 。的空間坐標真值(x。，y。)。根據實測，設坐標"。(u的值為(O，O)。
(2)確定測斜計空心導管41鏈杆結構結點處空間二維轉角值(an,x， an,y).
當測斜計4發生彎曲變形時，由於空心導管41呈鏈杆結構，則柔性管416處成為測斜計4形變的轉角結點處。 通過波長解調設備2讀取光纖光柵傳感器反射波長變化值。根據光柵解調值，在考慮溫度補償後，得出測斜計空心導管41鏈杆結構上轉角結點、和c^的空間二維轉角值(ai,x， ai,y)和(a2,x， 02,》，其中(l，x)、 (2，x)、 (l，y)和(2，y)分別為結點、和a2在x軸和y軸的投影值。 設第一結點處&1= 0q，y》，第二結點處a2 = (x2， y2)。 (3)根據公式1計算傾斜計4空心導管41鏈杆結構上結點a工和a 2的空間二維坐標值。 實測得到:a丄=45° ， a 2 = 30° ，剛性管節杆長1 = lOcm，則有:
aH,,,V|、 = ( x(, + cosa''/,少。+ sin",7)
= (0+cos45xl0, Q+sin45x10)
二 (7.07, 7.07)formula see original document page 9 (4)根據公式2計算結點a 1禾P a 2之間任意點a(唚/'2點的空間二維坐標值 結點 w'0 ， "2(^)之間的任意點a")1'2的值按線性變化，則任意點a")1'2的值 計算為formula see original document page 9
權利要求
一種光纖光柵測斜儀，包括光源(1)、波長解調設備(2)、光分路器(3)和傾斜計(4)；光源(1)和波長解調設備(2)連接在光分路器(3)的同一側，其特徵在於所述傾斜計(4)包括空心導管(41)和光纖光柵(42)；所述空心導管(41)的內部沿軸向平行布置至少一根光纖(421)；每根光纖(421)上聯接至少一個應變測量光柵(422)，當每根光纖(421)上各聯接多個應變測量光柵(422)時，為等距離串聯；每根光纖(421)上聯接的應變測量光柵(422)的位置對應相同；光纖(421)連接到光分路器(3)的另一側。
2. 根據權利要求l所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)內部沿軸 向平行布置有3根光纖(421)，光纖(421)之間彼此等距。
3. 根據權利要求1所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述串聯間距為10 15cm。
4. 根據權利要求1或2或3所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於其中一根光纖(421) 上還聯接有至少一個溫度補償光柵(423)。
5. 根據權利要求4述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)內部光纖光 柵(42)的布置方式為如下二種方式之一 方式一、光纖光柵(42)粘貼在空心導管(41)的內表面；方式二、所述空心導管(41)包括金屬導管(411)、柱狀部件(412)和連接螺栓(413); 所述柱狀部件(412)外表面布置有光纖光柵(42)，兩端加工有外螺紋；所述連接螺栓(413) 的螺杆端加工有內螺紋，大頭端加工有外螺紋；所述金屬導管(411) 一端加工有外螺紋；兩 連接螺栓(413)的螺杆端分別通過螺紋連接在柱狀部件(412)兩端，兩連接螺栓(413)的 大頭端分別與一段金屬導管(411)螺紋連接；兩連接螺栓(413)之間還固定有一段金屬導 管(411)套在柱狀部件(412)以外。
6. 根據權利要求4所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)是由N段 剛性管(415)和N-l段柔性管(416)依次間隔聯接組成的鏈杆結構；所述剛性管(415)和 柔性管(416)內部都布置有光纖光柵(42)。
7. 根據權利要求6所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)還包括 連接螺栓(413)，連接螺栓(413)大頭端加工有外螺紋；所述剛性管(415)兩端加工有內螺 紋，所述柔性管(416)外徑與接連螺栓(413)大頭端外徑相等；通過連接螺栓(413)將柔性 管(416)固定在兩個連接螺栓(413)之間，兩個連接螺栓(413)的大頭端再分別與剛性管 (415)螺紋連接。
8. 根據權利要求6或7所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)內部 光纖光柵(42)的布置方式為光纖光柵(42)粘貼在剛性管(415)和柔性管(416)的內表 面。
9. 根據權利要求7所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述空心導管(41)內部光纖 光柵(42)的布置方式為所述柱狀部件(412)外表面布置有光纖光柵(42)，兩端加工有外 螺紋；所述柱狀部件(412)通過螺紋連接固定在兩連接螺栓(413)之間；在剛性管(415)段 的柱狀部件(412)外通過連接螺栓(413)固定有剛性材料管；在柔性管(416)段的柱狀部 件(412)外通過連接螺栓(413)固定有柔性材料管。
10. 根據權利要求6、7、9任一所述的光纖光柵測斜儀，其特徵在於所述柔性管(416) 長度為10 15cm，鋼性管(415)的長度大於柔性管(416)長度。
全文摘要
本發明公開了一種光纖光柵測斜儀及相應的測斜算法。針對現有技術中光纖數字測斜儀體積大價格高且對土體內形變測量不易等缺陷，本發明提供一種光纖光柵測斜儀及配套測斜算法。該測斜儀將光纖光柵傳感器安裝在測斜儀的傾斜計內，通過測量光纖光柵反射波長的變化得到測斜儀傾斜角度的變化特徵並計算得到土體變形或變位的數值。進一步將該測斜儀的傾斜計設計為鋼性管與柔性管相間隔的鉸鏈結構，更有利於測量土體非線性大變形。本發明還同時提供配合鉸鏈結構形光纖光柵測斜儀使用的測斜算法。與現有技術相比本發明提供的測斜儀結構簡單、加工方便、使用操作容易、成本經濟、抗幹擾能力強適用範圍廣，配套測斜算法計算步驟簡潔、結果準確。
文檔編號E21B47/02GK101713650SQ200910216660
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者張碧華, 朱穎彥 申請人:中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所