一种用于监测桥墩冲刷深度的珐珀光纤智能锚杆
阅读说明：本技术 一种用于监测桥墩冲刷深度的珐珀光纤智能锚杆 (Fabry-Perot optical fiber intelligent anchor rod for monitoring scour depth of bridge pier ) 是由 唐福建 王帆 周霞 李宏男 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于珐珀光纤压力传感单元的用于监测桥墩冲刷深度的智能锚杆,属于结构健康监测领域,尤其用于桥墩冲刷深度的监测。包括法珀光纤压力传感单元、锚杆和多通道法珀解调仪。其中法珀光纤压力传感单元包括单模光纤、弹簧、外壳、活塞、反射镜面、圆板、隔板、连杆、光纤卡箍以及光纤保护软管。所述装置基于光纤珐珀干涉原理,将不同深度水压力信号转化为活塞移动并进一步转化为可调解的光信号,然后通过活塞弹簧力学平衡关系测出水压大小,从而实现对桥墩冲刷深度的监测。该装置能够实现对桥墩冲刷深度的长期、无损、实时地监测,测量精度较高,具有制作简单、体积小等优点,具有广阔的应用前景,易于推广。(The invention relates to an intelligent anchor rod for monitoring the scour depth of a pier based on an Fabry-Perot optical fiber pressure sensing unit, belongs to the field of structural health monitoring, and is particularly used for monitoring the scour depth of the pier. The Fabry-Perot fiber pressure sensor comprises a Fabry-Perot fiber pressure sensing unit, an anchor rod and a multi-channel Fabry-Perot demodulator. The Fabry-Perot optical fiber pressure sensing unit comprises a single-mode optical fiber, a spring, a shell, a piston, a reflecting mirror surface, a circular plate, a partition plate, a connecting rod, an optical fiber hoop and an optical fiber protection hose. The device is based on optic fibre fabry-perot interference principle, turns into piston removal and further turns into the light signal that can reconcile with different degree of depth water pressure signal, then measures the water pressure size through piston spring mechanics equilibrium relation to the realization is to the monitoring of pier scour depth. The device can realize long-term, lossless and real-time monitoring of the scouring depth of the pier, has high measurement precision, has the advantages of simple manufacture, small volume and the like, has wide application prospect, and is easy to popularize.)
技术领域
本发明涉及一种基于珐珀光纤压力传感单元的用于监测桥墩冲刷深度的智能锚杆，属于结构健康监测领域，尤其用于桥墩冲刷深度的监测。
背景技术
随着现代交通网络的发展，跨江河铁路，公路桥梁和跨海大桥的大量兴建，解决了陆路交通的跨江河链接问题，但建桥改变了桥下河道的水流结构，桥墩周围的河床出现了冲刷。这不仅影响桥梁所在河段的演变趋势，而且可能威胁桥梁建筑物的安全与稳定，其中，冲刷深度是冲刷影响桥梁安全最重要的因素，冲刷深度的监测对于桥梁的安全至关重要。桥墩周围河床受到水流的冲刷，形成冲刷坑，如果冲刷深度大，就会使桥墩基础不稳，造成倾斜倒塌等事故，因此桥墩冲刷深度的计算是研究桥墩冲刷的关键，对于保证桥梁结构安全稳定具有重大意义。
目前用于桥墩冲刷深度的监测有超声波监测，潜水检测等。超声波具有良好的传播性能，但是超声波在水中传播有削减，声纳设备贵，特别的当发生洪水发生时，监测结果难以辨别和解读。潜水检测速度慢，检测费用高，且对潜水员人身安全威胁比较大，特别在深水，湍急河流以及桥下有树枝水草时容易出现安全事故。现在用于冲刷深度监测的方法在精度成本稳定性存在着不足之处。
近年来，由于具有精度高，抗电磁干扰，耐腐蚀性，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等优点，基于光纤的传感器被广泛用于结构应变、应力，开裂、温度等方面的监测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于珐珀光纤压力传感单元的桥墩冲刷深度监测用智能锚杆。该装置的最大特点是能够将水压力信号转化为光信号，因此，我们能够通过光信号的变化情况来对冲刷深度进行监测。这种基于光纤珐珀传感器的桥墩冲刷监测装置制作简单，成本低，可以实时对桥墩冲刷深度进行监测，从而保证桥梁结构的安全稳定。
本发明的技术方案：
一种用于监测桥墩冲刷深度的智能锚杆主要由沿锚杆长度布置的多个珐珀光纤压力传感单元组成。压力传感单元包括弹簧1,活塞圆板2，活塞圆板3，弹簧4，圆筒外壳5，光纤保护软管6,连接杆7，隔板8，单模光纤9，反射镜面10，光纤卡箍11；
所述的弹簧1位于圆筒外壳5内部，一端和圆板2相连接，一端与隔板8相连接，在水压力作用下，随着活塞圆板2向筒内发生平移，弹簧被压缩；
所述的弹簧4一端与活塞圆板3相连，另一端与隔板8相连，其中活塞圆板2和活塞圆板3通过连接杆7进行连接，所述的弹簧1、弹簧4、活塞圆板2、活塞圆板3共同组成活塞系统，实际工作中，弹簧1和弹簧4起并联作用；
所述的反射镜面10位于活塞圆板3的端部，与光纤端面平行；反射镜面10的面积大于安装单模光纤9的面积；
所述的单模光纤9安装在光纤保护橡胶软管6中，单模光纤9穿过圆筒外壳5，并进行密封；
所述的活塞圆板2和活塞圆板3的直径等于圆筒外壳5的内径，且活塞圆板2和活塞圆板3的侧面设置凹槽，并在凹槽处设置橡胶圆环，对传感装置密封。
所述的连杆7的长度应该等于弹簧1的初始长度、弹簧4的初始长度和隔板8的厚度之和；
所述的反射镜面10和珐珀光纤9端面的初始距离应根据实际情况和测量精度来定；
所述的光纤卡箍11用于固定单模光纤9的端头，保持端头与反射镜面10的平行。
所述的基于珐珀光纤传感单元的智能锚杆包括珐珀光纤传感单元12，方管13，过滤网14。
所述的珐珀光纤传感单元12固定在方管13中，保持传感单元在正常工作的稳定；
所述的过滤网14连接在方管上，用来过滤掉水流中的泥沙、枯叶、树枝等东西，从而保证珐珀光纤传感单元12的正常稳定工作。
本发明工作原理：
基于珐珀光纤传感器阵列的桥墩冲刷深度监测装置原理如图3所示，该装置的工作原理实质上是一个光纤珐珀干涉仪。其中反射镜面10和光纤9端头构成了构成了一个珐珀光腔。水流产生的冲刷压力经活塞圆板2的传递，弹簧1会向内压缩，由于连杆7长度的恒定，因此，弹簧4将会伸长，同时引起活塞圆板3端面的反射镜面10向右移动，从而珐珀腔的长度变小，引起光谱自由范围(Free Spectrun Range)的变化。光沿着单模光纤9传输，入射光先遇到光纤与空气的第一反射面，接着遇到空气与反射镜面10的第二反射面，形成反射光返回光纤。第一反射面与第二反射面的反射光发生干涉，干涉信号I可以表示为：
式中，I1和I2分别为两反射面反射光的光强；n为中间介质(空气)折射率(n＝1.0)；δ为法珀干涉腔腔长；λ为波长，为两束反射光的相位差。干涉光谱呈现正弦波，两个波谷或波峰之间的距离为自由光谱范围(FSR)。反射镜面10在水压力作用下右移量Δδ和FSR变化量之间的关系为：
其中FSR1和FSR2为圆板活塞移动前和移动后的自由光谱范围，Δδ为圆板活塞右移量，λ为入射波的平均波长。
根据不同深度水流的压强不同，活塞的压入深度(右移量)将会不同，从而可以对桥墩不同深度的冲刷深度进行监测，根据静力平衡关系有如下关系：
pA＝(k1+k1)Δδ (3)
其中p为水压强，A为圆板2的面积，k1和k2分别为弹簧1和弹簧4的刚度，Δδ为活塞圆板2的位移，其中两弹簧之间起并联的作用。当水压强发生变化时，反射镜面10的移动引起腔长的变化，由公式(2)可知，腔长的变化必然会会引起自由光谱范围的变化。另外压力传感单元中弹簧的刚度k1和k2已知，圆板2的面积A已知，那么可以根据解调仪得到的自由光谱范围变化计算出腔长，推出活塞圆板2的位移Δδ，再进而由公式(3)得出水的压强。水的压强和冲刷深度成正比关系，从而实现对冲刷深度的监测。
测量冲刷深度的智能锚杆由一定数量的珐珀光纤压力传感器单元沿杆长布置组成，我们可以根据实际情况来设置珐珀光纤压力传感器单元的数量。
这种基于珐珀光纤压力传感器单元的智能锚杆安装在冲刷敏感的桥墩表面，即可实现对桥墩冲刷深度的实时监测。
本发明的有益效果：
(1)本发明的光纤珐珀传感器，精度可达纳米级别，可以提高监测精度。
(2)本发明不需要破坏桥墩结构本身，实现对桥墩冲刷深度的无损监测。
(3)本发明抗干扰性强，且具有较高的分辨率，可以实现高精度的监测桥墩冲刷深度。
(4)本发明的光纤珐珀传感器具有优异的耐腐蚀性能，从而使传感器具有更长地使用寿命，保证了传感器的长期稳定运行。
(5)本发明制作简单，布设方便，且造价低廉，可以实现对桥墩的冲刷深度进行实时监测，适合推广，具有较高的应用前景。
附图说明
图1为本发明用于监测桥墩冲刷深度的珐珀光纤压力传感器单元的结构示意图。
图2为本发明用于监测桥墩冲刷深度的珐珀光纤压力传感器单元的A-A剖面图。
图3为本发明用于监测桥墩冲刷深度的珐珀光纤压力传感器单元的原理示意图。
图4为基于珐珀光纤传感单元的智能锚杆的剖面图。
图5为珐珀光纤传感单元的智能锚杆的断面图。
图6为珐珀光纤智能锚杆在桥墩位置的布置示意图。
图中：弹簧1；活塞圆板2；活塞圆板3；弹簧4；圆筒外壳5；光纤保护软管6；连杆7；隔板8；单模光纤9；反射镜面10；珐珀光纤传感单元12，方管13，过滤网14。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于监测桥墩冲刷深度的智能锚杆主要由沿锚杆长度布置的多个珐珀光纤压力传感单元组成。压力传感单元包括弹簧1,活塞圆板2，活塞圆板3，弹簧4，圆筒外壳5，光纤保护软管6,连杆7，隔板8，单模光纤9，反射镜面10；
所述的弹簧1位于圆筒外壳5内部，一端和活塞圆板2相连接，一端与隔板8相连接，在水压力作用下，随着活塞圆板2向筒内发生平移，弹簧被压缩；
所述的弹簧4一端与活塞圆板3相连，另一端与隔板8相连，其中活塞圆板2和活塞圆板3通过连杆7进行连接，所述的弹簧1、弹簧4、圆板2、活塞圆板3共同组成活塞系统，实际工作中，弹簧1和弹簧4起并联作用；
所述的反射镜面10位于活塞圆板3的端部，与光纤端面平行；反射镜面10的面积大于安装单模光纤9的面积；
所述的单模光纤9安装在光纤保护软管6中，单模光纤9穿过圆筒外壳5；
所述的活塞圆板2和活塞圆板3的直径等于圆筒外壳5的内径，且活塞圆板2和活塞圆板3的侧面需要设置凹槽，并在凹槽处设置橡胶圆环，进行传感装置密封。
所述的连杆7的长度应该等于弹簧1的初始长度、弹簧4的初始长度和隔板8的厚度之和；
所述的反射镜面10和单模光纤9端面的初始距离应根据实际情况和测量精度来定；
步骤一：采用不锈钢材加工制备不锈钢金属圆板2和4，其主要起到活塞的作用，抛光打磨出不锈钢金属圆片，在圆片侧边设置凹槽，并在凹槽上安装橡胶制备的活塞环，以减少金属片移动时与管壁的摩擦阻力，同时橡胶活塞环能很好的起到密封作用。不锈钢圆片的尺寸根据具体情况来定。
步骤二：用不锈钢制备金属隔板8，并在不锈钢金属隔板8中心预留小孔，要求小孔的尺寸和不锈钢金属连接杆7的尺寸配套，保证不锈钢金属连接杆7能够在金属隔板8的小孔自由移动。
步骤三：根据示意图所示形状制作机械加工制作一圆柱体空心不锈钢壳，钢壳内径与不锈钢金属隔板8和不锈钢金属圆板2和4的外径尺寸配套。不锈钢金属隔板8与不锈钢圆柱外壳进行焊接为一体。
步骤四：准备两根弹簧，其长度和刚度不作具体限制，根据实际情况来定。
步骤五：用不锈钢材制备不锈钢金属连接杆7，要求连接杆有足够的刚度，以方便力的传递，并且系杆尺寸等于两弹簧静止状态的长度和加隔板的厚度。
步骤六：对上述的部件按照示意图的顺序进行拼装，弹簧1两端分别与不锈钢金属活塞圆板2和不锈钢金属隔板8焊接，弹簧4两端分别与不锈钢金属活塞圆板3和不锈钢金属隔板8也进行焊接。将连接杆穿过隔板8、弹簧1、弹簧4，两端分别与不锈钢金属活塞圆板2和不锈钢金属活塞圆板4焊接，组成活塞系统，以保证力的传递。
步骤七：制备一根单模光纤，用切割刀进行切割端头，然后用酒精进行清洗，用光纤保护橡胶软管加以保护，裸露一段端头并按照图示插入金属圆筒并进行固定。
步骤八：准备一个金属镀膜反射镜面黏贴在不锈钢活塞圆板3的中心处，正对应光纤端头。
步骤九：采用不锈钢材加工制备示意图所示的锚杆，锚杆中空且有一纵向横隔板将中空分为两室。其中一室的外壁开口，并在开口处布设不锈钢过滤网。在纵向横隔板不同高度位置开孔将光纤传感单位固定密封，传感单元的活塞端面向开口的一室，光纤端留在另一室然后从下向上引出到锚杆顶部用塑料保护套进行包裹接入多通道法珀光纤解调仪。不锈钢锚杆的具体长度根据待监测桥墩及冲刷实际情况来定，光纤压力传感单位的数量和间距依据监测的精度要求来定。
将所制备的锚杆固定到桥墩上，具体固定方式不做限制，但是须保证锚杆长期稳定工作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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