一种基于分布式光纤应变传感的地铁沉降监测系统的制作方法

本发明涉及基础设施结构安全健康监测领域，尤其涉及一种基于分布式光纤应变传感的地铁沉降监测系统。

背景技术：

随着我国城市化进程加快，城市人口增多，给城市交通带来了巨大的压力，地铁因其快速、便捷、载客量大的优势而应运得到推广应用。目前，各大城市都在大力建设地铁，根据轨道交通中长期发展规划，十三五期间将建设3000公里，到十三五末，全国轨道交通运营里程将达到7000公里。然而，目前国内地铁建设多呈现“重建不重养”的现状，尤其在我国地铁建设尚属发展中阶段，这会给地铁的日后运营及周围建筑的稳定埋下安全隐患。

现代地铁隧道数量多、相互交叉以及高密集等特点对地铁施工提出了严格的要求，地铁的修建和运营过程中不可避免的引起岩土层的位移、变形甚至塌方等恶劣影响。因此，地铁的沉降监测一直是地铁结构安全评估的重要因素。

目前，对于地铁的沉降监测主要采用全站仪、水准测量和静力水准仪等方法，而对于地铁大范围的在线监测的案例比较少，因此有必要开发一套对地铁大范围、低成本的地铁沉降监测系统。

分布式光纤应变传感技术以光纤本身既作为传感单元又作为传输媒介，可以准确地测出光纤上任何位置的应变和温度信息，实现长距离、连续分布式监测。分布式光纤应变传感技术在桥梁、隧道、边坡航天器、船舶等结构的安全监测中具有显著的技术优势和广阔的应用前景。

国内相关研究机构提出了基于分布式光纤应变传感的沉降监测专利，但存在一些缺陷和不足。如实用新型CN201220518062提出了一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统，其技术方案是通过两个滑轮来缠绕、固定分布式光纤，当产生沉降时，缠绕的光纤所受的力将发生变化。该系统中采用了多种光纤(商业单模裸光纤、外敷铠甲的单模裸光纤)，提高了系统复杂度和生产成本，同时商业单模裸光纤在缠绕尺寸较小的滑轮时容易产生弯曲损耗，导致系统监测距离大幅度衰减，若采用抗微弯光纤则提高了产品的生产成本。光纤处于油状液体中，长期浸泡会腐蚀光纤的涂覆层，易使光纤出现损伤。

技术实现要素：

为了克服已有地铁沉降监测的高成本、监测距离短、供电和通信系统结构复杂、稳定性较差、无法抗电磁干扰、环境适应性较差的不足，本发明提供了一种基于分布式光纤应变传感技术的地铁沉降监测系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于分布式光纤应变传感的地铁沉降监测系统，包括分布式光纤应变分析仪、传感光纤、沉降仪、空气连通管、液体连通管和储液罐，所述的分布式光纤应变分析仪与传感光纤形成一个传感测试光路，对光路上每一处的光纤应变和温度进行监测，所述的沉降仪安装于待测区域，所述的空气连通管串联沉降仪和储液罐，所述的液位连通管和空气连通管分别串联沉降仪和储液罐，其中液位连通管位于液位下方，空气连通管位于液位上方。

作为优选：所述沉降仪包括外壳和底座，外壳内设有传感光纤、浮子和液体，外壳内的传感光纤设有传感光纤应变测试区-和传感光纤温度测试区，所述浮子悬挂于传感光纤应变测试区下方且浸泡在液体中。

作为优选：所述传感光纤均为同种光纤，沉降仪以外的传感光纤用于信号传输，沉降仪内部的传感光纤应变测试区用于应变测试，沉降仪内部的传感光纤温度测试区用于温度测试。

作为优选：为保障同一温度环境下，所述传感光纤应变测试区和传感光纤温度测试区的传感光纤不浸泡于液体中。

作为优选：所述传感光纤为商用单模光纤。

本发明具有以下的特点和有益效果：(1)单套系统可以实现长距离监测和传输；(2)系统成本低，推广应用可行性高；(3)传感端无需供电和通信，系统结构简单；(4)分布式光纤具有抗电磁干扰能力，可在电磁场复杂的地铁环境中长期可靠的运行。

附图说明

图1为一种基于分布式光纤应变传感的地铁沉降监测系统组成图；

图2为沉降仪的结构示意图；

图中：分布式光纤应变分析仪1、传感光纤2、传感光纤应变测试区2-1、传感光纤温度测试区2-2、沉降仪3、空气连通管4、液体连通管5、储液罐6、沉降仪外壳7、浮子8、液体9、安装底座10。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

参照图1和图2，一种基于分布式光纤应变传感的地铁沉降监测系统，包括分布式光纤应变分析仪1，传感光纤2(传感光纤应变测试区2-1，传感光纤温度测试区2-2)，沉降仪3，空气连通管4，液体连通管5，储液罐6。所述沉降仪3包括了沉降仪外壳7，浮子8，液体9和安装底座10；

所述的分布式光纤应变分析仪1采用传感光纤2将每个沉降仪进行串联，通过分布式光纤应变分析仪1测试出每个沉降仪3中传感光纤的应变和温度信息；

所述的沉降仪3安装于沉降待测区域，空气连通管4和液体连通管5将沉降仪3和储液罐6进行串联，使得沉降仪3和储液罐6中的液体处于同一高度。

所述的沉降仪3产生沉降时，液位不发生变化，浮子8浸泡于液体9的深度将发生变化，从而浮子8的浮力发生变化，导致传感光纤应变测试区2-2的应变发生变化。

沉降仪安装于地铁中需监测的位置，通过传感光纤2将每个沉降仪进行连接并将信号传输至分布式光纤应变分析仪1。空气连通管4和液体连通管5将沉降仪3和储液罐6进行连通，使得沉降仪3和储液罐6中的液体处于同一高度。储液罐6安装于不易发生沉降的基准点，当某处沉降仪3产生沉降时，整个系统的液位高度几乎不发生变化。

沉降仪3中的传感光纤2悬挂一个浮子，浮子8部分浸泡于液体中，浮子8受到自身的重力作用(F_重)和浮力作用(F_浮)，使传感光纤2处于初始受力状态(F)，如公式(1)和(2)所示：

F＝F_重-F_浮 (1)

F_浮＝ρVg＝ρAHg (2)

式中，ρ为液体的密度，V为浮子8浸泡于液体的体积，g为重力加速度，A为浮子8的横截面积，H为浮子8浸泡于液体的深度。

当沉降仪3产生沉降(ΔH)时，浮子8浸泡于液体的深度也产生变化(ΔH)，从而浮子8的浮力将发生变化(ΔF_浮)，传感光纤2所受的力将产生变化(ΔF)，即传感光纤2的应变将产生变化(Δε)。如公式(3)和(4)所示：

ΔF_浮＝ρAΔHg (3)

ΔF＝SEΔε (4)

式中，S为传感光纤2的横截面积，E为传感光纤2的弹性模量，Δε为传感光纤2的应变变化量。

在浮子8重力不变的情况下，浮子8的浮力变化即为传感光纤2的受力变化，如公式(5)所示：

ΔF_浮＝ΔF (5)

因此，沉降仪3的沉降量可以如公式(6)所示：

通过分布式光纤应变分析仪1对传感光纤2应变进行解调分析，从而推算出沉降仪3的沉降量(ΔH)。

同时，传感光纤2作为分布式光纤具有长距离监测(≥50km)和空间定位能力(定位精度≤1m)，可以通过定位光纤的长度来对沉降仪进行区分，从而实现长距离、大范围的沉降监测。

沉降仪3中预留了一端传感光纤温度测试区，监测沉降仪的内部温度，用于对应变光纤进行温度补偿。