一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪、系统及方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪、系统及方法。

背景技术：

在现今市场，随着水利水电工程及各种大型工程的发展，越来越多的大坝坝基、土建等不得不开挖到基岩层电而直接建于覆盖层上，坝基或土建基层沉降变形的大小对大坝的应力与变形等有很大的影响。因此，对于建于覆盖层上的大坝和大型基建工程而言，基层的沉降监测是这些大坝和大型基建设施最重要的安全监测项目之一。整个沉降测量系统的基准水平面与测量处的水位差远远超过水位计测量量程。

监测大坝和大型基建设施的沉降常用的有液压式沉降仪及电磁式沉降仪。发明人发现，一般的液压式沉降仪要求测点高程与位于大坝或大型基建的下游坡处的观测房高程基本相同，而坝基或基层覆盖层顶部高程通常均位于下游河道死水位以下，因此一般的液压式沉降仪无法适用于高压差，高精度的沉降测量。

目前市场上很多采用电磁式沉降仪，这种沉降仪的安装需要将沉降管从坝基或基层垂直引致顶部，严重地影响整体基建设施施工。整个沉降测量系统的基准水平面与测量处的水位差远远超过水位计测量量程，同时测量沉降的精度还要求比较高，因此对于这种情况的沉降测量急需解决办法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪、系统及方法，利用外界力来对应力膜片受到的应力进行部分抵消，可以使沉降仪能够适应高压差水位里保持高精度的沉降测量；并能够进行远距离对沉降进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪，包括：

水箱，用于提供水位压力测量需要的水；

压力补偿装置，设置于水箱内部，用于对水位测量进行压力补偿；在水位压力测量装置测量过程中能够对其施加外界作用力；

水位压力测量装置，设置于水箱下方，包括与压力补偿装置相连的应力膜片，所述应力膜片连接光纤，光纤上间隔固定若干光纤光栅传感器。

作为进一步的限定，所述光纤光栅传感器包括通过光纤串联的光纤光栅应力传感器和光纤光栅温度传感器，光纤光栅应力传感器能够返回波长变化值，光纤光栅温度传感器的测量值作为光纤光栅应力传感器变化值的修正参考。

作为进一步的限定，所述光栅应力传感器和光纤光栅温度传感器通过基座固定于外壳内部，所述应力膜片设于外壳顶部。

作为进一步的限定，所述压力补偿装置包括浮子、限位栓，浮子顶端通过限位栓与水箱固定，浮子底端通过连接件与应力膜片相连。

作为进一步的限定，所述水箱一侧连接入水管，另一侧连接出水管；所述入水管安装限压阀，所述出水管安装水阀。

作为进一步的限定，所述入水管和出水管关于水箱对称安装。

作为进一步的限定，所述水箱顶部设有排气口。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降系统，包括所述的基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪。

第三方面，本发明实施例还提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪的使用方法，包括：

向水箱中注满水，使水箱内部没有气体；

部分打开限压阀，当水位压力测量装置超过其设计量程后，打开限位栓，使光纤光栅返回到光波长初始值；重复操作直至限压阀完全打开；

限压阀完全打开后，当光纤光栅应力传感器返回波长值超出量程，则调节压力补偿装置，使水位压力测量装置所测返回波长值与未加水时一致。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式通过压力补偿装置对应力膜片受到的应力进行部分抵消，可以使沉降仪能够适应高压差水位里保持高精度的沉降测量；

(2)本发明的一个或多个实施方式利用光纤光栅传感器的波长区分特性实现波分复用功能，多个传感探头所用光纤光栅的中心波长不同，串联在同一根光纤上实现波分复用；采用光纤的光传输，可以进行远距离地点对沉降进行实时监测，极大地减少人工巡视成本；同时在远程测量沉降时，无需另外给沉降仪提供电源；

(3)本发明的一个或多个实施方式采用两个相同规格经温敏封装的光纤光栅传感器，一个光纤光栅传感器作为沉降仪的环境温度测量，其温度值作为应力fbg的变化值修正参考；与之串联在一起的另一只光纤光栅传感器置于应力膜片与基座之间，应力膜片受到水位压力变化后，应力fbg返回波长变化值；

(4)本发明的一个或多个实施方式的液压沉降仪所感测到的水位压力变化信息以其中心波长的变化来体现，该波长变化可转化为远端光源输入到探头的激光的波长变化，通过传输光纤可将携带温度信息和水位压力信息的激光远距离回传至远端信号处理设备进行沉降数据解算。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

其中，1、基座；2、应力膜片；3、光纤光栅应力传感器；4、光纤光栅温度传感器；5、外壳；6、水箱；7、浮子；8、限位栓；9、限压阀；10、连接件；11、排气口；12、入水管；13、出水管；14、水阀；15、光纤。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪，如图1所示，包括水箱6、压力补偿装置、水位压力测量装置，其中，压力补偿装置设置于水箱6内部，水位压力测量装置位于水箱6下方。

具体的，水箱6为密封结构，用于提供水位压力测量需要的水，其可以为方形、圆柱形或其他形状，根据实际要求选择。水箱6顶部开设排气口11，用于注水过程中的排气。

所述水箱6一侧连接入水管12，另一侧连接出水管13；入水管12和出水管13关于水箱6对称安装。在本实施例中，入水管12和出水管13安装于水箱6靠近底部位置。所述入水管12安装限压阀9，通过限压阀9使外界水缓慢注入水箱6。所述出水管13安装水阀14，通过水阀14控制水箱6是否排水。水箱6固定在测量点后，高压水位的水与限压阀9连接在一起，出水管13连接下一个液压沉降仪。

所述水位压力测量装置包括外壳5和设置于外壳5内部的光纤光栅传感器、应力膜片2和基座1，其中，应力膜片2设于水箱6底部，其连接光纤15的一端，光纤15的另一端从外壳5穿出。

所述光纤15上间隔设置有光纤光栅传感器；在本实施例中，设置一个光纤光栅应力传感器3和一个光纤光栅温度传感器4，二者通过光纤15串联。应力膜片2受到水位压力变化后，光纤光栅应力传感器3返回波长变化值。光纤光栅温度传感器4用于测量环境温度，其温度值作为光纤光栅应力传感器3的变化值修正参考。

基座1用于实现光纤光栅应力传感器3和光纤光栅温度传感器4的支撑，具体的，基座1固定于外壳5内部，光纤15固定于基座1一侧。本实施例对基座1的形状不作限定，只要能够起到支撑作用即可。

所述压力补偿装置包括浮子7、限位栓8，所述浮子7设于水箱6内部，浮子7顶部通过限位栓8与水箱6固定，通过限位栓8能够调节浮子7的高度。浮子7底部通过连接件10与应力膜片2中央突起部分相连。所述浮子7通过橡皮管与水箱6顶部连通，通过橡皮管能够向浮子7内部注水。浮子7用于对水位测量进行压力补偿，在光纤光栅应力传感器3测量过程中，在外界施加一个力，使得光纤光栅应力传感器3的测量值返回到其测量设定范围内。外界施加的力可以是浮力，也可以是拉力、推力。

本实施例的液压沉降仪使用时，水箱6固定后，通过入水管12对水箱6注水，水箱6内的气体通过顶部排气口11将排出。然后将限压阀9打开，使水箱6内的水压缓慢增加，最终超过光纤光栅应力传感器3的量程。再通过调节限位栓8改变浮子7的浮力，使光纤光栅应力传感器3的光波长返回到初始态。如此重复操作后，最后限压阀9全部打开，使水箱6内的水压值达到最大值。同时通过注入水后，浮子7使光纤光栅应力传感器3处于量程值内。通过改变浮子7的浮力，使得光纤光栅应力传感器3处于测量水位最佳值。

当液压沉降仪处发生沉降时，水箱6内的液压也发生改变，从而改变了应力膜片2的形变量，也对光纤光栅应力传感器3的拉伸量发生作用，最后由光纤光栅应力传感器3返回的波长也就发生改变，这个改变量与沉降的高度是线性的关系。

具体的，水箱6安装处是处于测量系统水平面的比较远的距离，而且整个测量系统的水平面与测量处的水位差远远超过水位计测量量程。通过调节浮子7的浮力，即注水进入到浮子7内来抵消大部分的水位落差。

设定测量处的水位与整个沉降系统的标定水位落差为h1，处于水箱6底部的水位测量部分的测量量程为h2，浮子7的调节浮力为f1。

应力膜片2的半径为r1，厚度为t，弹性模量为e1,泊松比为u1,应力膜片2中心的硬芯半径为r1；光纤光栅应力传感器3的光纤长度为l,半径为r2,弹性模量为e2,泊松比为u2，返回的中心波长为λ，弹光模量为pe。水的密度为ρ，重力加速度为g。

当水位达到水位测量部分的满量程h2时，应力膜片2的硬心位移量为：

所述中光纤光栅应力传感器3的光纤15所受到的最大的力为：

所述光纤光栅应力传感器3所受到最大应变量为：

所述光纤光栅应力传感器3返回最大波长变量δλ：

δλmax＝(1-pe)εmax·λ；

在第1个满量程量，当引入浮力f1后，当f1＝fmax时，

设定测量处与标定水位的水位落差为：

h1＝(n-δ)·h2；

其中，n为整数，且大于1；δ为小数。最后的小数δ可以通过对浮子7的内部注入一定量的水，从而减小浮子7的浮力。

当所述限压阀9打开到水箱6内水压最大值时，

则浮子7的浮力可以拉伸应力膜片2的形变，使光纤光栅应力传感器3处于测量量程内并处于初始测量状态。

当沉降仪测量处产生沉降，沉降高度为δh。则沉降仪所处的测量处水位值与沉降系统的标定水位差值为h1+δh。

当水位测量部分增加水位差为δh时，应力膜片2的硬心位移量为：

所述光纤光栅应力传感器3的光纤15所受到的力变量为：

光纤光栅应力传感器3所受到应变量为：

光纤光栅应力传感器3返回的波长变量δλ，

δλ＝(1-pe)δε·λ；

则波长变量与沉降处沉降值的关系如下：

实施例二：

本实施例提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪，所述沉降仪结构与实施例一相同。应力膜片2为金属铍铜，金属铍铜膜厚度为0.01mm，半径度为15mm，中心的硬心半径为1.5mm,金属铍铜弹性模量为1.31×10¹¹n/m²,泊松比为0.2；光纤15为单模光纤，光纤光栅应力传感器3的中心波长值为1535.003nm，光纤长度为20mm，直径为0.125um,弹性模量为74×10¹¹n/m²，有效弹光系数为0.23，沉降系统标定水位的测量处水位差值为124.83m,水位计的测度满量程为2m。

通过计算，水位计满量程时，所受到最大的力为：

则fmax值为24.43n。

通过设计浮子7的排水体积，可以设计出浮子7的最大浮力如下：

f1＝(n+1)·fmax；

此处n值为最大水位差值与满量程的比值整数值，即n＝62,所以最大浮力值应该为f1＝1538.9n。

浮子7的浮力为浮子处于水中的排水体积减去自身的重量。自身重量可忽略不计时，则排水体积约为：

即体积v为0.157m³。

波长的漂移量与水位变化量的响应灵敏度为：

响应灵敏度为895pm/m。

实施例三：

本实施例提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降系统，包括激光发生装置、激光信号处理设备和实施例一所述的沉降仪，其中沉降仪的光纤穿出外壳的一端连接激光发生装置和激光信号处理设备，激光信号处理设备能够根据激光波长的变化，得出沉降仪处的沉降测量信息。

所述激光发生装置为激光发生器，激光信号处理设备为现有激光信号处理模块，此处不再赘述。

实施例四：

本实施例提供了一种基于补偿压差法的光纤光栅液压沉降仪的使用方法，采用实施例一所述的沉降仪，包括以下步骤：

(1)当高压水通过限压阀9注入水箱6时，先将水注满水箱6，使水箱6内部没有空气。

(2)将限压阀9打开一定程度，使水箱6压力缓慢上升。当水位压力测量装置超过其设计量程后，再通过打开限位栓8，使光纤光栅返回到光波长初始值。

(3)重复步骤(2)直到限压阀9完全打开。即：部分打开限压阀9，当达到光纤光栅fbg满量程，再打开限位栓8，使光纤光栅fbg光波长返回初始值。

(4)如果限压阀9完全打开后，光纤光栅应力传感器3返回波长值超出量程，则在浮子7内注入水，使得应力fbg返回波长值与初始值一样。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。