阅读说明：本技术 一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置 (Roadbed settlement monitoring device based on fiber bragg grating ) 是由 黄昌福 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置,包括至少两个安装在监测面上的光纤光栅液位传感器；所述光纤光栅液位传感器包括圆柱形壳体,壳体的底部安装在底座上；所述壳体内部安装有矩形悬臂梁、圆柱形浮块、防冻液；所述矩形悬臂梁的上下两侧分别嵌入光纤光栅传感器,浮块悬浮于防冻液中,浮块与矩形悬臂梁的自由端铰接；所述光纤光栅传感器与光缆熔接串联,光缆连接光纤光栅解调仪,通过光纤光栅解调仪采集壳体内液位变化时矩形悬臂梁的应变,相邻的光纤光栅液位传感器壳体上段经通气管相连通,相邻的光纤光栅液位传感器壳体的下段经通液管相连通,让矩形悬臂梁产生弯曲变形,通液管连接自动液位控制器。(The invention discloses a roadbed settlement monitoring device based on fiber bragg gratings, which comprises at least two fiber bragg grating liquid level sensors arranged on a monitoring surface; the fiber bragg grating liquid level sensor comprises a cylindrical shell, wherein the bottom of the shell is arranged on a base; a rectangular cantilever beam, a cylindrical floating block and an antifreeze are arranged in the shell; the upper side and the lower side of the rectangular cantilever beam are respectively embedded with a fiber grating sensor, a floating block is suspended in the antifreeze solution, and the floating block is hinged with the free end of the rectangular cantilever beam; the fiber grating sensor is connected with the optical cable in series in a fusion mode, the optical cable is connected with the fiber grating demodulator, strain of the rectangular cantilever beam is collected through the fiber grating demodulator when the liquid level in the shell changes, the upper section of the adjacent fiber grating liquid level sensor shell is communicated through the air pipe, the lower section of the adjacent fiber grating liquid level sensor shell is communicated through the liquid pipe, the rectangular cantilever beam is enabled to generate bending deformation, and the liquid pipe is connected with the automatic liquid level controller.)

一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置

技术领域

本发明涉及路堤沉降监测装置领域，特别是指一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置。

背景技术

随着高速铁路建设迅速发展，特别是近年来国家投资的增加，高速铁路建设已进入了一个新的发展阶段。高速铁路行车必须达到安全、可靠、舒适的要求，要达到这样的要求，铁路各系统必须具备高品质和高可靠性，其中尤以铁路线路的稳定与平顺最为重要。铁路线路是由不同特点和不同性质的结构物组成，它们共同作用而形成平滑的线路。由于组成线路的结构物存在强度、刚度、变形、材料等方面的差异，必然会引起轨道的不平顺。轨道的不平顺大多是沉降问题引起的，尤其是尤其对于特殊地质段土质路基，沉降问题更为严重，高速铁路路基服役期沉降(尤其是不均勾沉降)对高速列车的舒适性和安全度构成巨大威胁，是世界各国面临的最重要的技术难题之一。

现有技术中，高速铁路路基沉降测量采用传统静力水准仪测量，该方法为接触式测量，用液面接触的浮球高度变化来反应液面的高度变化，导杆连接浮球随水位变化，传感器安装在导杆上将变化值转换为电信号，发送到采集端。传统静力水准仪测量方式存在较大的误差，主要是浮球浸润、导杆倾斜、温度气压导致的浮力变化造成的误差，且传统静力水准仪传感元件存在损坏率高、精度相对较差、布线多、长期稳定性差、抗电磁干扰能力差、抗水干扰能力差、使用寿命短、自动化程度低、只能定点进行量测等缺点。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置，在悬臂梁上下侧表面设置两个光纤光栅传感器，能实现温度自补偿，以消除温度变化对沉降测量的影响，具有信号衰减小、抗干扰能力强、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、易集成等优点，使用基于光栅光纤技术的静力液位系统，有效的避免了浮球浸润、导杆倾斜、温度气压的变化导致的浮力变化造成的误差，有效的提高了结构物竖向位移的监测精度，运用大横截面浮块是半浸在水中而不是完全浸在水中，这样会增加浮力，从而增大传感器的测量范围；本发明具有监测精度高的特点，同时在使用过程中具有不易损坏、稳定性高、不需要重新标定、以及不易受电磁干扰的特点，同时减少布线。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置，包括至少两个安装在监测面上的光纤光栅液位传感器；所述光纤光栅液位传感器包括圆柱形壳体，壳体的底部安装在底座上，底座经固定螺杆连接在安装于监测面上的底板上；所述壳体内部安装有矩形悬臂梁、圆柱形浮块、防冻液；所述矩形悬臂梁的上下两侧分别嵌入光纤光栅传感器，浮块悬浮于防冻液中，浮块与矩形悬臂梁的自由端铰接，确保浮块与壳体没有接触；所述光纤光栅传感器与光缆熔接串联，光缆连接光纤光栅解调仪，通过光纤光栅解调仪采集壳体内液位变化时矩形悬臂梁的应变，相邻的光纤光栅液位传感器壳体上段经通气管相连通，通气管保持各个监测点的光纤光栅液位传感器的壳体内的液面以上压力的相等，相邻的光纤光栅液位传感器壳体的下段经通液管相连通，通液管使各个监测点的光纤光栅液位传感器竖向位移下降或上升时壳体内的液面上升或下降，让矩形悬臂梁产生弯曲变形，通液管连接自动液位控制器；所述自动液位控制器设置供水口和溢水口，自动液位控制器使得光纤光栅液位传感器沉降或上升过程中液位高度不发生变化。

上述技术方案中，所述壳体外部设置液位观察管，以观测壳体内液位高度变化。

上述技术方案中，所述调节螺杆配设有调节螺母，底座上安装有气泡水平仪。

上述技术方案中，所述光纤光栅传感器通过环氧胶与矩形悬臂梁固定，相邻的光纤光栅液位传感器通过光缆串联进行信号传输。

上述技术方案中，所述壳体内盛装水或者防冻液，当环境温度在0℃以上时使用水可以降低成本，在高寒地区进行监测时使用防冻液，通液管设置阀门。

本发明的有益效果是：本发明在悬臂梁上下侧表面设置两个光纤光栅传感器，能实现温度自补偿，以消除温度变化对沉降测量的影响，具有信号衰减小、抗干扰能力强、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、易集成等优点，使用基于光栅光纤技术的静力液位系统，有效的避免了浮球浸润、导杆倾斜、温度气压的变化导致的浮力变化造成的误差，有效的提高了结构物竖向位移的监测精度，运用大横截面浮块是半浸在水中而不是完全浸在水中，这样会增加浮力，从而增大传感器的测量范围；本发明具有监测精度高的特点，同时在使用过程中具有不易损坏、稳定性高、不需要重新标定、以及不易受电磁干扰的特点，同时减少布线。

附图说明

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的限定。

图1为该发明系统的结构示意图。图2为实施例各测点沉降示意图。

其中：1为光纤光栅液位传感器、2为矩形悬臂梁、3为光纤光栅传感器、4 为浮块、5为壳体、6为底座、7为阀门、8为通液管、9为通气管、10为光缆、 11为光纤光栅解调仪、12为调节螺杆、13为底板、14为监测面、15为固定螺杆、16为调节螺母、17为液位观察管、18为供水口、19为溢水口、20为自动液位控制器、21为防冻液。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-2所示，一种基于光纤光栅的路基沉降监测装置，包括至少两个安装在监测面14上的光纤光栅液位传感器1；所述光纤光栅液位传感器1包括圆柱形壳体5，壳体5的底部安装在底座6上，底座6经固定螺杆15连接在安装于监测面14上的底板13上；所述壳体5内部安装有矩形悬臂梁2、圆柱形浮块4、防冻液；所述矩形悬臂梁2的上下两侧分别嵌入光纤光栅传感器3，浮块4悬浮于防冻液21中，浮块4与矩形悬臂梁2的自由端铰接，确保浮块4与壳体5没有接触；所述光纤光栅传感器3与光缆10熔接串联，光缆10连接光纤光栅解调仪11，通过光纤光栅解调仪11采集壳体5内液位变化时矩形悬臂梁2的应变，相邻的光纤光栅液位传感器1壳体5上段经通气管9相连通，通气管9保持各个监测点的光纤光栅液位传感器1的壳体5内的液面以上压力的相等，相邻的光纤光栅液位传感器1壳体5的下段经通液管8相连通，通液管8使各个监测点的光纤光栅液位传感器1竖向位移下降或上升时壳体5内的液面上升或下降，让矩形悬臂梁2产生弯曲变形，通液管8连接自动液位控制器20；所述自动液位控制器20设置供水口18和溢水口19，自动液位控制器20使得光纤光栅液位传感器1沉降或上升过程中液位高度不发生变化。

具体实施时，所述壳体5外部设置液位观察管17，以观测壳体5内液位高度变化。

具体实施时，所述调节螺杆12配设有调节螺母16，底座6上安装有气泡水平仪。

具体实施时，所述光纤光栅传感器3通过环氧胶与矩形悬臂梁2固定，相邻的光纤光栅液位传感器1通过光缆10串联进行信号传输。

具体实施时，所述壳体5内盛装水或者防冻液21，当环境温度在0℃以上时使用水可以降低成本，在高寒地区进行监测时使用防冻液21，通液管8设置阀门7。

本发明的监控方法为：

1、通过调节螺母16和气泡水平仪安装相对稳定点和待测各点的光纤光栅液位传感器1，一起安装在相对平整底板13上。

2、使用透明PVC软管网和三通接头连接各个光栅光纤液位传感器1，加液去泡，连接通气管9。

3、所有光纤光栅传感器3连接光纤光栅解调仪11，通过光纤光栅解调仪 11采集数据。

4、测量时记录初设状态读数，用第二次采集的数据减去初设状态数据即是矩形悬臂梁2的变形量。

5、通过光纤光栅解调仪11测量出光纤光栅波长偏移量计算出每个光纤光栅的应变值，求出矩形悬臂梁上侧的应变和矩形悬臂梁下侧的应变后，得到：

6、由图2可知，△H为光纤光栅液位传感器1测点的沉降或***量，通过推导，得出每个光纤光栅液位传感器1测点的应变与沉降的关系：

△H＝Cε

式中，C为液位变化与弯曲应变之间的系数，1/C通常被称为灵敏度，单位为με/mm，C可以通过下式求得：

式中，ρ—防冻液的密度；g—重力加速度；S—浮块的横截面积；L—梁的长度；E—梁的弹性模量；I—梁的惯性矩；b—梁的宽度；t—梁的高度；

x—两个光纤光栅传感器在以矩形悬臂梁固定端为原点的局部x坐标系中的位置。