基于FBG温度传感器的土壤沉降监测及评估装置

基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置
技术领域
1.本实用新型属于土地整治技术领域，更具体地说，是涉及一种基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置。


背景技术：

2.目前，在土地整治工程领域中，有一种人工土壤监测装置，主要包括一个监测桩和桩上的一些刻度，这样的土壤监测装置受人工土体的不均匀沉降影响较大、所监测的土体沉降是点状土体、沉降数值受人为随机性影响较大，主观因素较多，导致所监测土体沉降数值具有不准确、精度差、代表性不强等特点，与真实值偏差较大，不能及时、精准的对土壤的沉降得到有效的沉降监测。
3.因此，针对以上不足，需要提供一种基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种能够及时、精确检测土壤沉降的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置，包括：
6.底盘，埋设于待检测土壤内部；
7.多条光纤传感器，连接在所述底盘上且向上延伸至土壤层的上部，所述光纤传感器通过土层沉降而引起的温度变化而产生对应的波长变化信号；
8.多个隔温盘，一一对应的设于多条所述光纤传感器上，所述隔温盘贴合于土壤层的上表面，且所述隔温盘可沿所述光纤传感器上下移动，所述隔温盘用于阻隔外界环境对土壤温度的影响；
9.监测机构，包括相互电连接的光纤调制解调仪和显示模块，且所述光纤调制解调仪均与多条所述光纤传感器电连接，所述光纤调制解调仪用于接收多条所述光纤传感器的波长变化信号，生成对应的土壤沉降数值并借助所述显示模块显示。
10.在一种可能的实现方式中，所述监测机构还包括：
11.预警模块，与所述光纤调制解调仪电连接，以在土壤沉降数值超出阈值时报警。
12.在一种可能的实现方式中，所述基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置还包括：
13.工作台，设于待检测土壤的一侧，用于安装所述光纤调制解调仪、所述显示模块和所述预警模块。
14.在一种可能的实现方式中，所述隔温盘的中部开设有配合孔，所述光纤传感器贯穿对应的所述配合孔，以使所述隔温盘沿所述光纤传感器的上下移动。
15.在一种可能的实现方式中，多条所述光纤传感器的顶部设有保护罩。
16.在一种可能的实现方式中，所述保护罩为有机玻璃材料。
17.在一种可能的实现方式中，所述底盘为粘弹性防腐材料。
18.在一种可能的实现方式中，所述光纤传感器为fbg温度传感器。
19.在一种可能的实现方式中，fbg温度传感器包括：
20.外护钢管，内部填充有导热膏，所述外护钢管内部设有半圆柱弯体，所述半圆柱弯体的起弯部分沿所述外护钢管的轴向开设有安装槽，所述安装槽内安装有光纤光栅；
21.传输光纤，贯穿所述外护钢管，且与所述光纤光栅电连接。
22.在一种可能的实现方式中，所述光纤调制解调仪为可调谐f-p腔滤波器解调系统。
23.本实用新型提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置的有益效果在于：与现有技术相比，底盘埋设于待检测土壤内部处于稳定状态，底盘上连接有多条向上延伸至待检测土壤上部的光纤传感器，多个隔温盘对应的设置在多条光纤传感器上，升降盘贴合在土壤层的上表面，可随土层的沉降而沿光纤传感器上下移动。当土壤出现沉降时，原本位于土壤中的光纤传感器部分露出了土壤表面，光纤传感器由于土壤沉降露出部分的温度发生了变化，此时，光纤传感器会根据环境温度的变化产生对应的波长变化信号，与未沉降时的波长进行对比，波长变化区域长度即为土壤沉降值。监测机构中的光纤调制解调仪接收感应光纤传感器的波长变化信号，并对应生成土壤的沉降数值，将相应的土层沉降数值信号传递至显示模块，并在显示模块上显示相应的数值，以达到土层沉降变化的监测和评估。本实用新型提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置能够及时、精确的监测土壤沉降。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本实用新型实施例提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置的结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例提供的fbg温度传感器的结构示意图。
27.附图标记说明：
28.1、底盘；2、光纤传感器；201、外护钢管；202、半圆柱弯体；203、光纤光栅；204、传输光纤；3、隔温盘；301、配合孔；4、光纤调制解调仪；5、显示模块；6、预警模块；7、工作台；8、保护罩。
具体实施方式
29.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
30.请参阅图1，现对本实用新型提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置进行说明。基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置，包括底盘1、光纤传感器2、隔
温盘3和监测机构。
31.底盘1埋设于待检测土壤内部；多条光纤传感器2连接在底盘1上且向上延伸至土壤层的上部，光纤传感器2通过土层沉降而引起的温度变化而产生对应的波长变化信号；多个隔温盘3一一对应的设于多条光纤传感器2上，隔温盘3贴合于土壤层的上表面，且隔温盘3可沿光纤传感器2上下移动，隔温盘3用于阻隔外界环境对土壤温度的影响；监测机构包括相互电连接的光纤调制解调仪4和显示模块5，且光纤调制解调仪4均与多条光纤传感器2电连接，光纤调制解调仪4用于接收多条光纤传感器2的波长变化信号，生成对应的土壤沉降数值并借助显示模块5显示。
32.本实用新型提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置，与现有技术相比，底盘1埋设于待检测土壤内部处于稳定状态，底盘1上连接有多条向上延伸至待检测土壤上部的光纤传感器2，多个隔温盘3对应的设置在多条光纤传感器2上，隔温盘3贴合在土壤层的上表面，可随土层的沉降而沿光纤传感器2上下移动。当土壤出现沉降时，原本位于土壤中的光纤传感器2部分露出了土壤表面，光纤传感器2由于土壤沉降露出部分的温度发生了变化，此时，光纤传感器2会根据环境温度的变化产生对应的波长变化信号，与未沉降时的波长进行对比，波长变化区域长度即为土壤沉降值。监测机构中的光纤调制解调仪4接收感应光纤传感器2的波长变化信号，并对应生成土壤的沉降数值，将相应的土层沉降数值信号传递至显示模块5，并在显示模块5上显示相应的数值，以达到土层沉降变化的监测和评估。本实用新型提供的基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置能够及时、精确的监测土壤沉降。
33.在一些实施例中，请参阅图1，监测机构还包括预警模块6。
34.预警模块6与光纤调制解调仪4电连接，以在土壤沉降数值超出阈值时报警。
35.其中，预警模块6可为声光报警模块的一种或组合形式，光纤调制解调仪4内预制阈值，该阈值为土壤允许沉降的上限和下限。当光纤调制解调仪4接收到的土层沉降数值位于该阈值范围内时，预警模块6处于非工作状态，即不会报警；当光纤调制解调仪4接收到的土层沉降数值超过或低于该阈值时，预警模块6触发，产生光信号或声信号，或是触发声光信号，以向操作人员及时并准确地传达相关信息。
36.可选的，请参阅图1，基于fbg温度传感器的土壤沉降监测及评估装置还包括工作台7。
37.工作台7，设于待检测土壤的一侧，用于安装光纤调制解调仪4、显示模块5和预警模块6。
38.具体的，工作台7为承载光纤调制解调仪4、显示模块5和预警模块6的平台，能够为上述三者提供安装位置，便于集成，方便操作和监测。
39.优选的，请参阅图1，隔温盘3的中部开设有配合孔301，光纤传感器2贯穿对应的配合孔301，以使隔温盘3沿光纤传感器2的上下移动。配合孔301位于隔温盘3的中部，光纤传感器2贯穿对应的配合孔301，使隔温盘3随土层的沉降以沿光纤传感器2的上下移动。
40.请参阅图1，多条光纤传感器2的顶部设有保护罩8。保护罩8遮盖在隔温盘3的上部，能够有效的保护隔温盘3和光纤传感器2，减少外界温度的影响。
41.优选的，保护罩8为有机玻璃材料，具备一定的强度以及较好的隔热效果。
42.优选的，底盘1为粘弹性防腐材料，比如聚烯烃类防腐材料，它具有单分子非键结
的结构特征。这种特性使得它保证完全密封，阻断腐蚀，这种性能既保证材料具有优异的密封粘接性能，又保证材料有一定的固态特性，有足够的强度。
43.请参阅图2，光纤传感器2为fbg温度传感器，因为光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响，所以在计算反射波长变化的时候既要同时考虑这两种因素，又要分别对其进行分析。
44.由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅的反射波长为：
45.λb＝2n
eff
·
λ
46.式中n
eff
为有效折射率，λ为光栅周期，当作用于光纤光栅203的被测物理量(温度)发生变化时，会引起n
eff
和λ的相应改变，从而导致光纤布拉格光栅中心反射波长λb的变化，即
[0047][0048]
式中第一项为应变变化引起的光纤光栅203波长变化量,第二项为温度变化引起的光纤光栅203波长变化量。
[0049]
当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。可以使用为此专门进行封装的fbg温度传感器，这种传感器能保证封装内部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的弯曲，拉伸，挤压或扭曲应变。所以，因温度变化而造成的反射波长的改变就可以主要由该光纤的温度光学灵敏系数来决定。
[0050]
原型封装温度传感器已经消除应变产生的影响，温度变化既引起光纤光栅203折射率的变化,同时,由于热膨胀也引起栅距的变化,不考虑波导效应,光纤光栅203具有以下温度响应特性：
[0051][0052]
式中α与ζ分别为光纤光栅203的热敏系数和光敏系数,为简单起见,令温度灵敏度系数k
t
＝α+ζ,则式简化为：
[0053][0054]
即为假定没有应变作用的光纤光栅203中心波长变化与温度增量的关系。
[0055]
通过光纤布拉格光栅将温度变化转为波长的变化，进而反映到位移上来，最终得到土壤沉降量。
[0056]
fbg温度传感器的封装结构由外护钢管201、半圆柱弯体202组成，传输光纤204贯穿外护钢管201，半圆柱弯体202由外径等于外护钢管201内径的半圆柱不锈钢体加工而成,弯起部分沿轴心开半圆槽,将光纤光栅203及其两端胶黏在槽内,在近两端处将光纤胶黏,胶黏点之间光纤留有微弯,管里填充不固化的导热膏。半圆柱弯体202的弯起部分为光纤光栅203的增敏体,它与外护钢管201的应力分离,实现无外力影响的温度传感器封装。该封装方法既不影响其传感特性,又具有一定的保护作用。
[0057]
具体的，光纤调制解调仪4为可调谐f-p腔滤波器解调系统，led光源发出的光经过环行器入射到fbg温度传感器，经fbg温度传感器反射的光经过环行器后进入f-p腔滤波器，
调节加在f-p腔滤波器压电陶瓷上的电压，同时观测光电转换器(pd)输出电压幅值的变化，当电压幅值达到最大时记下此时加在压电陶瓷上的电压值，然后根据此电压值由数值处理单元计算出f-p腔滤波器的谐振波长，f-p腔滤波器的谐振波长与受温度影响后fbg温度传感器的λb是一致的，根据公式：
[0058][0059]
即可检测出环境温度的变化量。式中k
t
为fbg的温度灵敏度系数。同时也可以得到波长变化的区域，波长变化的区域长度为土壤沉降值。
[0060]
优选的，光纤传感器2、隔温盘3及配合孔301的数目均为三个，底盘1为等边三角形，等边三角形上具备三个用于连接三条光纤传感器2的安装孔。三个隔温盘3随土层升降，可以反映三个土壤层表面点的沉降量。通过得到的数值进行小范围曲面拟合。能进一步分析土壤沉降的严重程度并反映在显示模块5上，可以对沉降严重部位的土壤进行进一步分析并进行相应措施。监测结果具有准确性和代表性，精度高，可以对土壤层的土壤沉降做出有效的监测，并且可很快获得沉降数值和小范围曲面土壤沉降图。该监测装置结构简单，操作方便，制造成本不高。
[0061]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。