专利名称：用于监测建筑物沉降的光纤光栅传感棒及监测方法
技术领域：
本发明属于建筑物安全检测技术领域，涉及一种基于光纤光栅传感的建筑物整体沉降监测系统
背景技术：
当今建筑业的发展已经使得建筑物对于地基的要求越来越高，建筑规模的不断扩大就会引起地基及周围地层的变形。现行规范规定，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别在高层建筑物施工过程中，规定应用沉降观测加强过程监控，指导施工工序，及时反馈沉降信息，预防在施工过程中出现的不均勻沉降，为勘察设计施工部门提供详尽的一手资料，避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝。在已公开的建筑物沉降检测方法中，CN201233238Y提供了一种由螺栓、观测面板和预埋件组成的沉降装置，在螺栓头部端面最外圈上均布有观测点，在螺栓头部的内圈内设置有沉降点的编号；CN201795800U将预埋件浇注于建筑物内，在该预埋件的侧面设置有观察杆，通过监测观察杆是否下滑就可以检测出建筑物是否沉降；CN201215499Y通过分布于结构物一个层面上的若干采集端，而这些采集端通过连通管相接，在连通管的一端安装储液罐，其中的水面高出采集端水平线一段距离，在采集端内置有液位传感器和相应变压器电路用于将压力信号转换成电信号，通过对电信号进行分析得出采集端承受的液位高度，从而来判断每个位置的沉降变化情况。已公开的专利，仅能在沉降明显发生后，对沉降的程度(高度大小)进行评估，且大部分是设置沉降观测位置的点式测量，对建筑整体沉降评估有误差、有局限。随着传感技术的不断进步，电子技术、光学技术逐渐在建筑物沉降监测中得到应用。光纤传感技术以其独特的精度优势、材料优势，近年来在各领域的应用均有发展。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种具有灵敏度高，寿命长，抗电磁干扰，耐腐蚀，耐水等特点，可以实时准确测量建筑物整体沉降的传感器，并同时提供一种采用此种传感器的建筑物整体沉降监测方法，这种监测系统特别适合于沉井结构基础沉降的安全监测。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种用于监测建筑物沉降的光纤光栅传感棒，包括钢筋、单模光纤和至少一个光纤光栅，单模光纤光沿着与钢筋平行的方向粘贴在钢筋表面，光纤光栅串联在单模光纤上， 在单模光纤与钢筋的外面浇筑有水泥。作为优选实施方式，各个光纤光栅分布在单模光纤的不同位置上，中心波长各不相同。一种通过光纤光栅传感棒监测建筑物沉降的方法，包括下列步骤(1)将至少一个光纤光栅串联到单模光纤上；
(2)将串联了光纤光栅的单模光纤绷紧后沿着与钢筋平行的方向粘贴在钢筋表(3)在单模光纤与钢筋外面浇筑水泥制成光纤光栅钢筋水泥传感棒；(4)在光纤光栅钢筋水泥传感棒的末端未浇筑水泥的单模光纤部分包覆铠装光缆；(5)将制好的光纤光栅钢筋水泥传感棒固定在需要监测是否发生沉降的建筑结构上；(6)利用铠装光缆将入射光引入传感棒，并将回传的传感光信号引到光纤光栅信号解调器；(7)由光纤光栅信号解调器根据传感光信号评估传感棒位置处是否发生沉降及沉降程度。利用本发明的光纤传感系统来监测建筑物的沉降，具有以下优势。(1)以光为载波，用光导纤维做传输路径、传输各种信息，具有传感和数据通道集为一体，耐水，耐压，耐腐蚀，抗电磁干扰等优点，光纤具有体积小，抗腐蚀和耐水等优点，可以埋设到各种条件的土层里进行常年的监测，利用沉降过程中对光纤产生轴向应变导致光纤光栅的反射光波长变化的特点，建立沉降过程与波长移动监测的关系，可以实现建筑物整体沉降的实时、常年的精密监控，其灵敏度和准确性远远高于传统的检测方法。(2)由于光纤结构小的特点，光纤传感方式可以采用分步式的方式，大面积地布设到沉井或地基的各个部位，这也是传统点式测量所不具备的优势。(3)与传统设置位移点来观测建筑物沉降的方式相比，光纤传感技术具有实时、准确且精度高等特点，更能够对已经发生内部变形但尚未导致可观察的沉降的情况进行及时监测。
附图1为光纤光栅钢筋水泥传感棒结构示意图。附图2为建筑物结构沉降测试系统示意图。附图标记说明如下1为所测量建筑物沉降结构(如沉井或地基)，2为地表土层，3为光纤光栅钢筋水泥传感棒，用于连接沉降结构和所在土层。7为铠装光缆，负责将传感信号传输到地表。8 为光开关，用于切换不同通道的测量。9为光纤光栅信号解调器。
具体实施例方式本发明即基于光纤传感的建筑物沉降监测系统，如附图1-3所示，包括3光纤光栅钢筋水泥传感棒3 ；单模光纤5 ；光纤光栅6 ；铠装光缆7 ；光开关8 ；光纤光栅信号解调器9。本发明首先制作用于沉降监测的光纤光栅钢筋水泥传感棒，数量和大小视实际情况而定。将光纤光栅黏贴于钢筋上，并浇筑成水泥棒，水泥棒外的光纤加铠装光缆保护。然后，将光纤光栅传感棒用液压的方法将顶端部分夯入沉井或地基周边的土层，尾端部分与沉井或地基浇筑成一体，用于传输信号的铠装光缆顺至地面用于测量。测量过程如下所述光纤光栅信号解调器发射的宽带光入射到光纤中，由光纤光栅反射回信号解调器的波长信号随其产生的应变发生漂移。当所检测的建筑结构受外力作用产生沉降或形变时，沉井或地基与周边土层产生的位移传递到光纤光栅传感棒上，产生形变，同时导致光纤光栅反射波长的变化。因此，通过监视多路光纤传感棒的信号，可以实时准确地对建筑物整体沉降进行监控。建筑物沉降的光纤传感监测系统的安装可以随建筑施工过程一并进行。以沉井基础结构1为例，当沉井1下沉到设计标高后，在沉井内部管壁打孔，孔径小于光纤光栅钢筋水泥传感棒3的直径，孔的位置和数量根据实际情况而定。如图1所示，制作光纤光栅钢筋水泥传感棒3，将单模光纤5及耦合在光纤5上的光纤光栅6微受力绷紧后按一定的间隔黏贴在钢筋4表面，使得单模光纤5与钢筋4平行。然后在钢筋4外围砼浇筑如附图1所示的光纤光栅钢筋水泥传感棒3，起保护单模光纤及固定的作用。但不进行振捣避免光纤和光栅的损坏，在水泥棒3末端将钢筋4伸出少许并利用铠装光缆7保护单模光纤。将光纤光栅传感棒通过液压的方式顶入沉井内部管壁的孔中，连接周边土层和沉井基础结构。将传输信号的铠装光缆7顺至地表，待整体建筑施工完毕后，进行沉降检测信号的输出。如图2所示，当建筑物在服役过程中产生沉降，沉井基础与周边土层发生位移，在弹性范围内，光纤光栅传感棒产生剪切变形，光纤光栅6将发生轴向应变，反射波长信号将发生变化。在一个传感棒上不同部位分布的光纤光栅6的中心波长不同，从而可以区分不同测量点的沉降程度。通过铠装光缆7将传感光信号传到地面的光纤光栅信号解调器9上进行分析，评估沉降的程度。用光开关8可以切换不同通道的检测信号，得到沉井不同位置的沉降程度，可以对建筑物整体沉降进行有效的检测。
权利要求
1.一种用于监测建筑物沉降的光纤光栅传感棒，包括钢筋、单模光纤和至少一个光纤光栅，单模光纤光沿着与钢筋平行的方向粘贴在钢筋表面，光纤光栅串联在单模光纤上，在单模光纤与钢筋的外面浇筑有水泥。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感棒，其特征在于，各个光纤光栅分布在单模光纤的不同位置上，中心波长各不相同。
3.一种通过光纤光栅传感棒监测建筑物沉降的方法，包括下列步骤(1)将至少一个光纤光栅串联到单模光纤上；(2)将串联了光纤光栅的单模光纤绷紧后沿着与钢筋平行的方向粘贴在钢筋表面；(3)在单模光纤与钢筋外面浇筑水泥制成光纤光栅钢筋水泥传感棒；(4)在光纤光栅钢筋水泥传感棒的末端未浇筑水泥的单模光纤部分包覆铠装光缆；(5)将制好的光纤光栅钢筋水泥传感棒固定在需要监测是否发生沉降的建筑结构上；(6)利用铠装光缆将入射光引入传感棒，并将回传的传感光信号引到光纤光栅信号解调器；(7)由光纤光栅信号解调器根据传感光信号评估传感棒位置处是否发生沉降及沉降程度。
4.根据权利要求3所述的通过光纤传感系统监测建筑物沉降的方法，其特征在于，各个光纤光栅分布在单模光纤的不同位置上，中心波长各不相同。
全文摘要
本发明属于建筑物安全检测技术领域，涉及一种用于监测建筑物沉降的光纤光栅传感棒，包括钢筋、单模光纤和至少一个光纤光栅，单模光纤光沿着与钢筋平行的方向粘贴在钢筋表面，光纤光栅串联在单模光纤上，在单模光纤与钢筋的外面浇筑有水泥。各个光纤光栅分布在单模光纤的不同位置上，中心波长各不相同。本发明同时提供一种采用上述传感棒的监测建筑物沉降的方法。本发明可以实现建筑物整体沉降的实时、常年的精密监控。
文档编号G01C15/00GK102435178SQ20111027167
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者刘介行, 吕辰刚, 张瑞峰, 程鹏飞 申请人:天津大学