隧道形变监测传感器及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及隧道形变或塌方监测的传感器及装置，适用于地铁隧道，公路交通隧道，电力隧道，地下矿井隧道等。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，各种隧道逐渐增多，隧道的安全事故愈加频繁。有效的监控隧道状态并及时避免事故发生，对国家安全有着重要的意义。隧道事故发生之初，必然会产生较大的形变或位移，因此通过隧道形变或位移监测来评估隧道的安全状态，是一种简单且直接有效的方法。通常情况下，隧道发生形变的主要原因是受到自上而下的巨大压力，当隧道不能完全承受压力时便会发生形变，虽然形变很小，但可能存在着巨大的潜在危险。传统的隧道形变监测手段，是通过置入应力应变传感器来测量隧道的形变。这种方法只能在修建隧道时同步执行，且后期无法进行传感器维护、更换，其缺陷还在于相对隧道的整体结构，其仅仅是测量了隧道一个点的状态。
[0003]发明专利200910081488.4与发明专利201010253984.6分别采用涡流形变传感器与图像传感器以阵列的形式对隧道整体形变状态进行监测，其终端传感器结构复杂、成本较高，安装调试要求高，且隧道全程都需要提供24V电源。
[0004]发明专利201110413277.3采用激光测量技术，通过激光接收器探测光强对隧道形变进行监测。该方案易受到环境因素的影响，尤其是空气中的灰尘与水汽，其附着在镜面上会导致激光发射和接受强度发生变化，从而引起测量误差，并且也需要现场提供电源。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，针对目前隧道形变监测手段的不足之处，提出一种成本低、可靠性强的隧道形变监测传感器及装置。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种隧道形变监测传感器，该传感器包括“工”型结构件和两个不同波长的光纤光栅，“工”型结构件包括两个固定臂，以及连接两个固定的中间固定件；
两个光纤光栅对称地斜设在中间固定件的两侧，且两个光纤光栅的其中一端均与中间固定件连接，另一端固定在同一固定臂上。
[0007]本发明所述的隧道形变监测传感器中，“工”型结构件的上下两个固定臂上均设有固定孔。
[0008]本发明还提供了一种隧道形变监测装置，包括应变感知梁、应变传递梁和固定架；
应变感知梁与隧道拱形顶相吻合，通过固定架固定在隧道顶部；
应变传递梁为水平横梁，固定在应变感知梁上；应变传递梁上固定有上述的隧道形变监测传感器。
[0009]本发明所述的装置中，固定架由两个三角形钢结构构成。
[0010]本发明所述的装置中，应变传递梁中部的正反两面分别设有一个凹槽，两个凹槽的中心部位设有镂空的矩形孔，隧道形变监测传感器固定在矩形孔的两个侧壁上。
[0011]本发明所述的装置中，凹槽上设有槽盖，槽盖与凹槽间设有密封垫。
[0012]本发明产生的有益效果是:本发明的传感器通过在工型结构件的两侧对称设置两个不同波长的传感器，将其安装于隧道顶部用于检测隧道形变时，传感器固定臂发生相对位移，导致固定件发生形变。两个光纤光栅受到的拉力一个变大一个变小，两光纤光栅波长之差反映出应变变化。如果在应变发生的同时，环境温度也发生了变化，由于两光纤光栅的对称结构，其温度灵敏度一样，由于温度引起的变化也相同，在两波长做差的同时也抵消了温度的影响。因此本发明的隧道形变监测传感器及装置结构简单、易安装，信号的采集与传输采用光纤不需电源，工程实施简单，适应苛刻的环境条件，且感测灵敏度高，误差小。
【附图说明】
[0013]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
图1是本发明实施例隧道形变监测传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例隧道形变监测装置的结构示意图；
图3是本发明实施例应变传递梁的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0015]本发明实施例的隧道形变监测传感器，如图1所示，包括“工”型结构件和两个不同波长的光纤光栅11、12，“工”型结构件包括固定臂7和固定臂8，以及连接两个固定的中间固定件9 ;两个光纤光栅对称地斜设在中间固定件9的两侧，且两个光纤光栅的其中一端均与中间固定件9连接，另一端固定在同一固定臂上，既可以是固定臂7，也可以是固定臂8。如图1所示，两支光纤光栅可分别以预应力的状态固定于“工”字型结构一边的两个直角位置，起到应变测量与温度补偿的作用。
[0016]“工”型结构件的两个固定臂较长，并有固定孔(如螺纹孔)，方便传感器的组装；将该传感器固定于待测物体处。
[0017]本发明的隧道形变监测传感器为光纤光栅传感器，其性能特征在于差动放大与温度补偿。差动放大表现为:当传感器发生应变时，一支光纤光栅的波长变大，另一支光纤光栅的波长变小，两支光纤光栅波长的差值发映出应变变化量。与一般单支光纤光栅应变传感器相比，相同条件下其灵敏度高出一倍。温度补偿表现为:两支光纤光栅的封装位置与结构对称，温度灵敏度相同，从而由于温度变化引起的波长变化量相同，两波长值做差的同时消除了温度因素的影响。
[0018]本发明实施例的隧道形变监测装置，如图2所示，包括应变感知梁1、应变传递梁2和固定架3 ;应变感知梁I与隧道拱形顶相吻合，通过固定架3固定在隧道顶部。应变传递梁2为水平横梁，固定在应变感知梁I上；应变传递梁2上固定有上述实施例的隧道形变监测传感器4。
[0019]如图2所示，应变感知梁I的两个端部通过固定架3固定在隧道侧壁。
[0020]本发明的一个实施例中，如图3所示，应变传递梁2中部的正反脸面设有凹槽，两个凹槽之间设有镂空的矩形孔，隧道形变监测传感器固定在矩形孔的两个侧壁上。如可通过在矩形孔的上下两个侧壁上设置侧壁螺纹孔5、6，用于安装和保护隧道形变监测传感器4。本发明实施例中，在将隧道形变监测传感器4安装于矩形孔中时，使得隧道形变监测传感器4两个固定臂上的固定孔与侧壁螺纹孔相重合，再用螺栓固定。此处矩形孔以及传感器的安装方式可以是多样的，还可以根据设计需求采用其它的方式。
[0021]本发明的一个具体实施例中，如图2所示，应变感知梁I为拱形梁结构，是根据隧道拱形设计，刚好可以与隧道顶壁吻合，通过机械固定或水泥浇筑的方式固定于顶壁之上，其末端达到与隧道侧壁交接处，在隧道侧壁上安装固定架3，将拱形梁末端固定。应变传递梁2为水平横梁，可通过焊接的方式固定在拱形梁上面。
[0022]本发明的一个实施例中，固定架3是由两个三角形钢结构组成，以保证其稳定性。固定架3的一个面安装在隧道的侧壁，一个面与拱形梁的末端连接，两个固定架3分别安装在隧道两边。
[0023]本发明实施例中，传感器“工”字型结构高度与水平横梁上的矩形孔宽度刚好吻合，并且传感器固定臂上的螺纹孔与矩形孔内侧壁的螺纹孔刚好吻合。将传感器放入水平横梁的矩形孔内，并通过螺栓的方式进行固定，之后将凹槽的盖子用小螺钉固定，盖子与凹槽间使用密封垫片密封。
[0024]当隧道顶壁受到来自上方的压力发生形变时，拱形梁随之发生形变，由于拱形梁的受力也是自上而下，其发生形变时会导致拱形曲率半径变大，此时会导致水平横梁受到水平的拉力发生形变。水平横梁发生形变时导致凹槽内矩形孔的侧壁螺纹孔5、6发生相对位移。与之相对应的传感器固定臂7、8也发生相对位移，导致传感器的固定件9向长臂7的方向弯曲发生形变。光纤光栅10受到的拉力变大，光纤光栅11受到的拉力变小，两光栅波长之差反映出应变变化。如果在应变发生的同时，环境温度也发生了变化，由于两光纤光栅的对称结构，其温度灵敏度一样，由于温度引起的变化也相同，在两波长做差的同时也抵消了温度的影响。
[0025]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种隧道形变监测传感器，其特征在于，该传感器包括“工”型结构件和两个不同波长的光纤光栅，“工”型结构件包括两个固定臂，以及连接两个固定的中间固定件； 两个光纤光栅对称地斜设在中间固定件的两侧，且两个光纤光栅的其中一端均与中间固定件连接，另一端固定在同一固定臂上。2.根据权利要求1所述的隧道形变监测传感器，其特征在于，“工”型结构件的上下两个固定臂上均设有固定孔。3.—种隧道形变监测装置，其特征在于，包括应变感知梁、应变传递梁和固定架； 应变感知梁与隧道拱形顶相吻合，通过固定架固定在隧道顶部； 应变传递梁为水平横梁，固定在应变感知梁上；应变传递梁上固定有如权利要求1或2所述的隧道形变监测传感器。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，应变感知梁的两个端部均通过固定架固定在隧道侧壁。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，固定架由两个三角形钢结构构成。6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，应变传递梁中部的正反两面分别设有一个凹槽，两个凹槽的中心部位设有镂空的矩形孔，隧道形变监测传感器固定在矩形孔的两个侧壁上。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，凹槽上设有槽盖，槽盖与凹槽间设有密封垫。
【专利摘要】本发明公开了一种隧道形变监测传感器及装置，其中传感器包括“工”型结构件和两个不同波长的光纤光栅，“工”型结构件包括两个固定臂，以及连接两个固定的中间固定件；两个光纤光栅对称地斜设在中间固定件的两侧，且两个光纤光栅的其中一端均与中间固定件连接，另一端固定在同一固定臂上。本发明隧道形变监测传感器及装置结构简单，无需电源，可适应苛刻的环境，且监测灵敏度高。
【IPC分类】G01B11/16
【公开号】CN105157593
【申请号】CN201510543678
【发明人】常晓东, 印新达, 王丹
【申请人】武汉理工光科股份有限公司
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月28日