阅读说明：本技术 一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法 (Inclination measuring device and inclination measuring method based on shape sensor ) 是由 任亮 尤润州 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法,测斜装置包括测斜管、形状传感器和滑动夹具。所述滑动夹具通过机械连接固定在形状传感器上,所述形状传感器通过滑动夹具滑入并固定在测斜管内部,所述形状传感器包括薄壁钢管和应变传感器,所述薄壁钢管外表面沿环向每间隔120°设有圆弧凹槽,所述应变传感器每隔一定间距胶结在薄壁钢管外表面的圆弧凹槽内。测斜方法通过应变传感器获得各测点应变信息,结合形状传感算法实现测斜管水平位移重构。本发明将形状传感器和测斜管结合,具有安装方便、测量精度高、环境适应性强、造价低廉的优点。(The invention discloses an inclination measuring device and an inclination measuring method based on a shape sensor. The sliding clamp is fixed on the shape sensor through mechanical connection, the shape sensor slides into the inclinometer through the sliding clamp and is fixed in the inclinometer, the shape sensor comprises a thin-wall steel pipe and strain sensors, arc grooves are formed in the outer surface of the thin-wall steel pipe at intervals of 120 degrees in the circumferential direction, and the strain sensors are cemented in the arc grooves in the outer surface of the thin-wall steel pipe at intervals. The inclination measuring method obtains strain information of each measuring point through a strain sensor, and combines a shape sensing algorithm to realize horizontal displacement reconstruction of the inclination measuring pipe. The invention combines the shape sensor and the inclinometer, and has the advantages of convenient installation, high measurement precision, strong environmental adaptability and low cost.)

一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法

技术领域

本发明属于测斜技术领域，具体说是一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法。

背景技术

近年来，随着高层建筑、地铁等城市建设的不断发展，基坑开挖的深度和规模不断扩大，由此引发的工程事故(如：基坑坍塌、周边土体下沉、支护体系折断)也不断增加。为了实时掌握基坑稳定性，确保施工期间人员和设备的安全，基坑监测在施工中的重要性日益凸显。基坑深层水平位移作为基坑土体状态最直接的体现，是施工过程中的重要监测项目之一，其监测结果对于基坑稳定性及施工安全性的评价至关重要。

目前，基坑深层水平位移主要采用测斜管和测斜仪联合测量。在测斜管埋设完毕后，将测斜仪探头沿测斜管内部凹槽放入管内，每隔0.5m或1m读取水平位移数值，这种测量方法存在以下局限与不足：

1、测量效率低，人工成本高，采集时间长，无法实现全自动化测量。

2、测量精度低，数据采集受人为因素影响较大，且为点式测量，数据不全面，难以准确反映全域位移变化。

3、测量工作受环境因素影响较大，暴雨等极端环境条件下无法监测。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提供一种基于形状传感器的测斜装置及测斜方法，具有安装方便、测量精度高、环境适应性强、造价低廉的优点。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种基于形状传感器的测斜装置，包括测斜管、形状传感器和滑动夹具，所述滑动夹具套接在形状传感器外壁上，所述形状传感器通过滑动夹具滑入并固定在测斜管内部。

进一步的，所述形状传感器包括薄壁钢管和应变传感器，所述薄壁钢管外表面沿环向每间隔120°设有圆弧凹槽，所述应变传感器每隔一定间距胶结在薄壁钢管外表面的圆弧凹槽内。

进一步的，所述滑动夹具包括构件a、构件b和锁紧螺丝，所述构件a和构件b的一端通过销钉可转动连接，另一端通过螺丝和螺母的配合进行紧固连接，在构件a、构件b的外壁上分布有圆形柱，所述圆形柱与锁紧螺丝通过绞丝连接；所述滑动夹具内径与薄壁钢管外径相同。

进一步的，在测斜管的内壁上开有导向凹槽，锁紧螺丝顶部的圆形滚珠与导向凹槽滑动连接。

本申请还提供一种基于形状传感器的测斜方法，具体步骤为：

步骤1：将形状传感器划分为n个单元，每个单元设置一个曲率测点，每个曲率测点处沿环向每间隔120°布设1个应变传感器；

步骤2：将各测点曲率表示为曲率向量形式；

步骤3：假设在第i段[x_i,x_i+1]单元内曲率是均匀变化的，则将曲率表示为x的一次函数；

步骤4：当第i段单元节点坐标x_i和初始转角θ_i已知时，在区间[x_i,x]上对曲率函数进行一次积分，得出区间[x_i,x]内任一点转角值；

步骤5：当第i段单元节点坐标x_i、初始转角θ_i和初始位移ω_i已知时，在区间[x_i,x]上对转角函数进行一次积分，得出区间[x_i,x]内任一点挠度值。

进一步的，步骤1中各应变传感器与弯曲曲率关系为

ε_ij＝k_ir sin(α_b-α_ij)

其中，ε_ij为测点i处第j个应变传感器实测应变值，j∈[1,3]；i为曲率测点编号，i∈[1,n]；k_i为测点i处弯曲曲率；r为薄壁钢管中心到应变传感器中心的距离；α_ij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；α_b为中性轴与z轴间夹角。

进一步的，步骤2的曲率向量形式表示为：

各测点曲率值为

进一步的，步骤3中曲率表示为x的一次函数为：

进一步的，步骤4中区间[x_i,x]内任一点转角值为：

进一步的，步骤5中区间[x_i,x]内任一点挠度值为：

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

1、本申请将形状传感器和测斜管相结合，能够实现测斜管水平位移的远程长期实时监测，且不受环境气候的影响，具有测量精度高、抗噪性能强的优点。

2、本申请采用沿环向每间隔120°布设1个应变传感器的布设方式，有效消除温度和弯曲方向对曲率测量的影响，无需额外的温度补偿，有效提高计算精度。

3、本申请形状传感器的后期埋入，极大地提高了传感器的存活率，使得该测斜管不仅适用于深基坑位移监测，而且可以用于桩体、大坝、边坡等岩土结构的位移监测，具有操作简单、施工方便、传感单元造价低的优点。

4、采用本方法计算测斜管水平位移，无需材料和荷载信息，只需给定边界条件便可实现测斜管全域位移场重构。

附图说明

图1为本申请基于形状传感器的测斜装置结构示意图；

图2为本申请测斜管的横截面图；

图3为本申请形状传感器的横截面图；

图4为本申请滑动夹具的结构示意图；

图中：101-测斜管，102-形状传感器，103-滑动夹具，201-薄壁钢管，202-光纤光栅应变传感器，301-构件a，302-构件b，303-锁紧螺丝，4-中性轴。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

参见图1-图4所示，本实施例提供一种基于形状传感器的测斜装置，包括测斜管(101)、形状传感器(102)和滑动夹具(103)，所述滑动夹具(103)通过机械连接固定在形状传感器(102)上，所述形状传感器(102)通过滑动夹具(103)滑入并固定在测斜管(101)内部。

在测斜管(101)组装埋设完毕后，将4m长薄壁钢管(201)采用焊接方式连接，并从距离薄壁钢管(201)端部0.5m处开始，采用环氧树脂胶体每隔1m安装一组应变传感器(202)，所述应变传感器(202)之间采用熔接或法兰盘连接，连接线采用502胶固定在薄壁钢管(201)外表面圆弧凹槽内。在形状传感器(102)组装完毕后，从形状传感器(102)端部开始，每隔1m安装一个滑动夹具(103)，滑动夹具(103)通过拧紧螺母固定在形状传感器(102)上，之后沿测斜管(101)内部导向凹槽将形状传感器(102)滑入并固定在测斜管(101)内部。

参见图1和2所示，测斜管(101)外径为70mm，内径为60mm，内表面每间隔90°设有导向凹槽，凹槽宽5mm，深2mm,测斜管(101)管长4m，彼此之间采用连接段进行连接。

参见图1和3所示，形状传感器(102)包括薄壁钢管(201)和应变传感器(202)，薄壁钢管(201)外径为30mm，壁厚为2mm，外表面沿环向每间隔120°设有圆弧凹槽，凹槽宽4mm，深1mm。

参见图1和图4所示，滑动夹具(301)内径为30mm，包括1个构件a(301)、1个构件b(302)和4个锁紧螺丝(303)，其中构件a(301)和构件b(302)通过销钉连接，锁紧螺丝(303)和构件a(301)、构件b(302)通过绞丝连接。锁紧螺丝(303)采用RSU6-16.8型，直径为6mm，长度为16.8mm。

优选的，上述应变传感器可以为光纤光栅应变传感器。

实施例2

本实施例提供一种基于形状传感器的测斜方法，测斜过程如下：

(1)根据深基坑监测高度或深度，钻孔埋设测斜管(101)至相对不动点。

(2)将形状传感器(102)滑入并固定在测斜管(101)内部，利用光纤光栅解调仪采集各测点应变值。

(3)将形状传感器划分为n个单元，每个单元设置一个曲率测点，每个曲率测点处沿环向每间隔120°布设1个应变传感器，各传感器应变与弯曲曲率关系为

ε_ij＝k_ir sin(α_b-α_ij)

其中，ε_ij为测点i处第j个传感器实测应变值，j∈[1,3]；i为曲率测点编号，i∈[1,n]；k_i为测点i处弯曲曲率；r为钢管中心到传感器中心的距离；α_ij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；α_b为中性轴与z轴间夹角。

(4)将各测点曲率表示为曲率向量形式：

各测点曲率值为

(5)假设在第i段[x_i,x_i+1]单元内曲率是均匀变化的，则曲率表示为x的一次函数：

(6)当第i段单元节点坐标x_i和初始转角θ_i已知时，在区间[x_i,x]上对曲率函数进行一次积分，可得区间[x_i,x]内任一点转角值。

(7)当第i段单元节点坐标x_i、初始转角θ_i和初始位移ω_i已知时，在区间[x_i,x]上对转角函数进行一次积分，可得区间[x_i,x]内任一点挠度值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。