专利名称：一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法
技术领域：
；本发明涉及一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术：
在变形测量中，大地测量方法是一种最直观的方法，主要用于地表的变形测量，比如边坡监测等。所谓沉降观测，就是定期地测量变形量工作点的高程变化情况，根据各点间的高差变化，计算地表的沉降量。目前常用水准测量方法进行沉降变形测量，但这种方法受人为因素影响极大，经验不足者常会导致测量精度不够，以致测量超限；即使经验丰富，技术熟练的工作人员，也不可能做到每次都能处理成功；而且，这种人工测量的方法受天气条件的影响很大，耗时长。
发明内容
；本发明的目的是克服现有技术之不足，提供一种用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，将表征沉降量的位移参量转换成可对光纤Bragg光栅的Bragg波长进行调制的应变参量，最大限度地避免人为和气候因素的影响，实现远距离实时监测。
本发明的技术方案是采用粗端为固定端、细端有V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如边坡中的抗滑桩)，在悬臂梁的另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表(如先挖坑，再在坑内现浇钢筋混凝土以形成沉降墩)，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，以使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用普通光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算(可用人工运算或配备专门的电子运算专置进行数据运算处理与显示)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。
本发明的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口可为框形，沉降墩可为各形重物，如混凝土块(可在地表挖坑现浇水泥制成)；沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λB、应变量ε、应变灵敏度系数Sε、温度变化T之间的关系为
d=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2Sϵl2+d2h.]]>本发明由于利用位移调制型光纤Bragg光栅传感方法来测量沉降量，与现有技术相比较具有以下优点1.检测的实时性常用的光纤光栅解码仪能提供5～1000Hz的检测频率，可满足土木工程结构的实时监测要求。
2.远程传感网络插入损耗低和窄带的波长反射提供了远程传感的可能性，并且有利于在光纤中的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型等连接，实现远程测量与监控。
3.检测的可靠性由于光纤Bragg光栅的传感信号为光栅调制的Bragg波长值，该波长值可进行自标定和自校准，而且该光纤传感波长编码具有抗干扰能力强的特点，从本质上排除了光强起伏干扰(如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等)，因此保证了检测的可靠性。
4.消除温度的影响采用粘贴在等强度悬臂梁上、下表面的两个传感光栅，进行差动运算，有效地消除了温度对传感元件的影响。
5.测量量程可调利用悬臂梁的长度l与沉降量d的关系式，可方便地选择不同长度的悬臂梁，以获取相应的测量量程。
附图1为本发明测量装置示意图；附图2为本发明悬臂梁俯视示意图；附图3为本发明悬臂梁应变原理图；图中①固定平台，②悬臂梁，③光纤Bragg光栅，④刃口，⑤挂钩，⑥沉降墩，⑦固定端，⑧V型槽，l为悬臂梁的长度、h为悬臂梁的厚度，B为悬臂梁固定端的宽度，b为悬臂梁末端的宽度，d为沉降量，α为悬臂梁的倾斜角。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1如附图1～3所示，利用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，是采用粗端为固定端、细端为V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上(如边坡中的抗滑桩)，另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，使沉降墩埋置于待测地点的地表，沉降墩为事先在地表挖坑后现混凝土制成(比如0.3×0.3×0.5m)；通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光谱分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算(通过人工进行)，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。
本检测方法中，两根光纤Bragg光栅采用同一批拉制出的通信用G.652单模光纤载氢后制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口为框形(上内口为刃口结构，与悬臂梁的V型槽对应)，沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λB、应变量ε、应变灵敏度系数Sε、温度变化T之间的关系为d=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2Sϵl2+d2h]]>测量时，地沉降使得沉降墩向下运动产生了一个位移d，从而通过挂钩和刃口带动悬臂梁产生弯曲形变，粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅感应到相应的应变，最后，导致了光纤Bragg光栅的Bragg波长移位。因此，当悬臂梁在地沉降的作用下产生与它成正比的应变时，光纤Bragg光栅将应变转换为Bragg波长的偏移量。
在附图1所示的等强度悬臂梁中，悬臂梁所受应变ε与沉降量d之间的关系为ϵ=hl2+d2d---(1)]]>其中，l是等强度悬臂梁的长度，h是等强度悬臂梁的厚度。
当悬臂梁受荷载的作用弯曲时，上表面受到的是拉伸应变ε，而下表面受到的是压缩应变-ε，若两只光栅处于同样的温度场中，则光栅中的温度变化T和应变信号ε可表示为ϵ=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2SϵT=λB(ϵ,T)+λB(-ϵ,T)2ST---(2)]]>
其中，Sε是应变灵敏度系数，ST是温度灵敏度系数。本发明属于机械补偿并不要求额外的温度检测，只是两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
把式(2)中的第一个表达式代入式(1)，可得沉降量与传感光栅Bragg波长的关系可表示为d=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2Sϵl2+d2h---(3)]]>本例中，等强度悬臂梁用不锈钢材料制成，其尺寸为l＝300.0mm，h＝3.0mm，B＝45.9mm；测量结果为Bragg波长移位量/沉降量＝70.0pm/mm，即Δλ＝70d，当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位70.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λB的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。
实施例2如附图1～3所示，利用位移调制型光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，是采用粗端为固定端、细端为V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在边坡中的抗滑桩上，另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，使沉降墩埋置于待测地点的地表，沉降墩采用预制混凝土墩，在地表挖坑放入；通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用基于可调谐Fabry-Perot干涉仪解调原理制成的光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将其进行差动运算(配备电子运算设备进行，并显示)，得到待测地表沉降量。
本检测方法中，两根光纤Bragg光栅采用同一型号的光敏光纤PS-1550-Y3制成，悬臂梁为等强度悬臂梁，刃口为框形(上内口为刃口结构，与悬臂梁的V型槽对应)，沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅Bragg的波长λB、应变量ε、应变灵敏度系数Sε、温度变化T之间的关系为d=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2Sϵl2+d2h]]>本例中，等强度悬臂梁用不锈钢材料制成，其尺寸为l＝600.0mm，h＝5.5mm，B＝72.0mm；测量结果为Bragg波长移位量航降量＝20.0pm/mm，即Δλ＝20d，当产生1.0mm的沉降量时，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位20.0pm(光纤Bragg光栅的Bragg波长λB的单位为pm，沉降量d的单位为mm)。
权利要求
1.一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是采用粗端为固定端、细端有V型槽结构、中部上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的固定端固定在工程结构中的固定装置上，在悬臂梁的另一端V型槽内通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使分别粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光纤光栅分析仪获取两光纤Bragg光栅的Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算，以消除温度的影响，从而得到待测地表的沉降量。
2.根据权利要求1所述的用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是两根光纤Bragg光栅采用同一型号的光敏光纤制成，悬臂梁为等强度悬臂梁。
3.根据权利要求1所述的用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，其特征是沉降量d与悬臂梁的长度l、厚度h，以及传感光栅的Bragg波长λB、应变量ε、应变灵敏度系数Sε、温度变化T之间的关系为d=λB(ϵ,T)-λB(-ϵ,T)2Sϵl2+d2h]]>
全文摘要
本发明涉及一种用光纤Bragg光栅传感器测量沉降量的方法，属于光电子测量技术领域。采用上下表面对称贴有两个光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁，将悬臂梁的粗端固定在工程结构中的固定装置上、细端通过刃口与挂钩挂上沉降墩，沉降墩直接埋置于待测地点的地表，通过沉降墩将地沉降的位移量转换为悬臂梁的变形，使光纤Bragg光栅的Bragg波长发生移位，再用光纤Bragg光栅分析仪获取Bragg波长移位量，并将测量结果进行差动运算，从而消除温度的影响，以得到待测地表沉降量。具有最大限度地避免人为和气候因素的影响，实现远距离实时监测，检测可靠等优点。
文档编号G01D5/353GK1858548SQ20061001094
公开日2006年11月8日 申请日期2006年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者李川 申请人:昆明理工大学