一種水工結構變形分布式光纖監測裝置及方法

一種水工結構變形分布式光纖監測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種水工結構變形分布式光纖監測裝置及方法，包括通底豎井，所述通底豎井內安裝有變位臺，變位臺上的兩側安裝有鉆頭驅動裝置，鉆頭驅動裝置與錐形鉆頭連接；鉆頭驅動裝置分別與升降繩連接，升降繩纏繞在收線盤上；變位臺中部與一對彈簧的一端連接，彈簧的另一端與豎向測尺鉸接，豎向測尺穿過刻度臺，兩個彈簧之間設有光纖掛桶，光纖掛桶內安裝有波狀回路光纖，波狀回路光纖上設有光纖扣，波狀回路光纖的輸入端安裝有光波發射器，波狀回路光纖的輸出端安裝有光波采集器。本發明具有可重復的使用、極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優勢及分布式、微宏觀、實時性、復雜環境高適應性等特點。
【專利說明】-種水工結構變形分布式光纖監測裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發明設及一種水工結構變形分布式光纖監測裝置的監測方法，屬于建筑領域。

【背景技術】
[0002] 穿堤、水閩等水工結構物在運行中常出現不均勻沉降等病害，對建筑物的安全及 正常使用造成不利影響，甚至導致建筑物破壞或失事。通過布設監測儀器或裝置，實時獲取 區域變形信息，合理分析區域變形空間與時間變化規律，及時發現區域變形（特別是不均 勻變形）異常狀況，W科學采取防范或控制措施，對保障水工結構物安全服役具有重要意 義。
[0003] 目前，常規水工結構變形監測裝置多存在施工布設困難、可重復利用率低、不易檢 修維護、耐久性差、精度低、易受電磁環境干擾等不足。光纖傳感器具有抗福射、耐腐蝕等 特點，應用于不均勻變形病害監測具有明顯的優勢；但從光纖變形監測的現狀來講，分布 式實時監測方式是當前研究和應用熱點，但技術本身和工程實用性方面尚不成熟，利用光 纖中瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射的變化，理論上不僅可W準確定位不均勻變形病 害，且可W給出不均勻變形病害的定量描述；但上述目標的實現過程中，光纖的布設極其考 究，尤其回路設置更是困難。從最新的光纖【技術領域】上看，美國Luna Technology公司的 ODiSI (Optical Distributed Sensor Interrogator)分布式光纖傳感系統可 W實現 mm 級 空間分辨率，但是最大傳感長度只有50m，且實際應用中受到多因素干擾，其有效監測長度 及分辨率會降低；日本NBX公司利用PPP-B0TDA技術生產的光納儀，有效空間分辨率可提高 到cm級，但需要光纖回路布設，致使其很難直接應用于實際工程的不均勻變形監測。本發 明技術可在保證現有分布式光纖最大監測距離（25km范圍內）的情況下，將空間分辨率提 高到mm級。
[0004] 為了充分利用現有技術監測水工結構不均勻變形，使監測設備獲得較高的初始精 度、較大的測量量程，本發明將傳統監測技術與光纖傳感技術相結合，借鑒傳統監測技術直 觀、簡單的優點，避開其布設困難、利用率低、無法檢修維護、受電磁環境干擾等不利弊端， 結合當前光纖傳感技術所具有的分布式、高精度、實時性、多復雜環境應用的優勢，構建可 共載兩種技術的應用平臺，設置兩種技術的共享信息融合的設備構件，實現水工結構不均 勻變形mm級精度的有效監測和應用。


【發明內容】

[0005] 發明目的；為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種水工結構變形分布 式光纖監測裝置的監測方法，創造性地搭建可W融合新舊技術的集成平臺，具有可重復的 使用、極為方便的安裝及實時的檢測與維護等優勢及分布式、微宏觀、實時性、復雜環境高 適應性等特點。
[0006] 技術方案；為解決上述技術問題，本發明的一種水工結構變形分布式光纖監測裝 置，包括通底豎井，所述通底豎井內安裝有變位臺，變位臺上的兩側對稱的安裝有鉆頭驅動 裝置，鉆頭驅動裝置與錐形鉆頭連接；變位臺兩側的鉆頭驅動裝置分別與升降繩連接，升降 繩纏繞在收線盤上，收線盤安裝在齒輪軸上，齒輪軸上的齒輪與轉動齒輪曬合，轉動齒輪由 電機驅動；變位臺中部與一對對稱安裝的彈黃的一端連接，彈黃的另一端與豎向測尺較接， 豎向測尺穿過刻度臺，刻度臺位于設置在通底豎井上的橫梁，兩個彈黃之間設有光纖掛桶， 光纖掛桶的底端與變位臺連接，光纖掛桶內安裝有波狀回路光纖，波狀回路光纖上設有光 纖扣，波狀回路光纖的輸入端安裝有光波發射器，波狀回路光纖的輸出端安裝有光波采集 器。
[0007] 作為優選，所述升降繩上設有刻度。
[000引作為優選，所述通底豎井的上端面設有水平儀。
[0009] 作為優選，所述變位臺的下方設有護底凸臺。
[0010] 作為優選，所述變位臺下方設有壓縮彈黃。
[0011] 一種水工結構變形分布式光纖監測裝置的監測方法，包括W下步驟：
[0012] 第1步，空載下，將升降繩完全松開，將變位臺及其所承載的部件放松到通底豎井 的最底端，讓護底凸臺接觸到通底豎井的底面，測試拉壓彈黃及豎向測尺的工作狀態，用光 波發射器、光波采集器監測波狀回路光纖工作性態，待上述工序完成之后，未發現異常情況 下，將各部件恢復到原初始位置；
[0013] 第2步，在±石結合區域中，開挖與通底豎井形狀結構類似的凹槽，通過水平儀調 整通底豎井與±石結合區域間的平衡，通過電機驅動升降繩下放錐形鉆頭、變位臺及護底 凸臺，在下降到指定位置后，通過查看升降繩上的刻度，使得變位臺兩邊升降繩的長度一樣 長，使變位臺、錐形鉆頭處于水平平衡位置，將事先安裝好的拉壓彈黃與刻度臺上的豎向測 尺較接，將已經安裝到光纖掛桶的波狀回路光纖引出到光波發射器及光波采集器處；
[0014] 第3步，通過鉆頭驅動裝置推動錐形鉆頭從通底豎井穿出，最終將錐形鉆頭不斷 深入通底豎井周圍的±石結合區域內；
[0015] 第4步，當一側的拉壓彈黃受到從該側錐形鉆頭所傳遞的對應側的沉降荷載時， 對應側豎向測尺監測到的該側沉降變形量值為di，同時，當另一側拉壓彈黃受到從與其對 應側錐形鉆頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監測到該側的沉降變形量 值為d2,兩側的拉壓彈黃之間的距離標為以變形較小一側的拉壓彈黃與待測點Q的距離為 M，則Q處的沉降量值為Sg=d2+(di-d2)M/L，位于中間位置處C點的沉降變形量值為5/ =(di+d2)/2,基于波狀回路光纖所發生的瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射等光信息的 變化，監測到此刻變形量值為5。°，初始變形量值為年/，則對于同一中間位置所監測沉降 差值的絕對值為，為構建±石結合區域不均勻沉降的計算公式，定義不均勻 沉降參量《，且《的表達式定義為w=|悼"-年/)-年1/年°，基于本監測裝置工作原理及上述推 導，待測點Q處的最終沉降計算公式為^￡^=1馬奪護。 V y V J
[0016] 有益效果；本發明的一種水工結構變形分布式光纖監測裝置，所有組件都便于拆 卸的設計，大大方便了工程運輸及使用，傳感鉆頭的靈活升降及通過控制器控制鉆頭的收 縮，極大增加了裝置可重復的使用、便捷的安裝檢修與維護的功效，保留當前傳統監測儀器 的簡單、直觀的優點，而且通過升降繩既可W升降錐形鉆頭，也可W校正錐形鉆頭的平衡， 融合當前最新光纖監測技術的實時性、分布式、高精度、低成本、高靈敏性、不受電磁干擾、 多復雜環境適應性特性，研發可共載新舊技術的可靠的監測裝置，使其兼具各技術優勢， 擴展其使用功能，極大降低了工程監測及檢測成本，在保證現有分布式光纖最大監測距離 (25km范圍內）的情況下，可將空間分辨率提高到mm級，監測精度、可靠性和工程實用性得 到了較大提升。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的裝置圖；
[001引圖2為本發明的俯視圖；
[0019] 圖3為本發明圖1的A-A剖面圖；
[0020] 圖4為圖1中豎向測尺的運行示意圖。
[0021] 其中；1-通底豎井；2-齒輪軸；3-升降繩；4-鉆頭驅動裝置；5-拉壓彈黃；6-豎向 測尺；7-刻度臺；8-波狀回路光纖；9-光波發射器；10-光波采集器；11-光纖扣；12-光纖 掛桶；14-錐形鉆頭；15-變位臺；16-護底凸臺。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0023] 如圖1至圖4所示，本發明的一種水工結構變形分布式光纖監測裝置，包括通底豎 井1，所述通底豎井1內安裝有變位臺15,變位臺15上的兩側對稱的安裝有鉆頭驅動裝置 4,鉆頭驅動裝置4與錐形鉆頭14連接；變位臺15兩側的鉆頭驅動裝置4分別與升降繩3 連接，升降繩3纏繞在收線盤上，收線盤安裝在齒輪軸2上，齒輪軸2上的齒輪與轉動齒輪 曬合，轉動齒輪由電機驅動；變位臺15中部與一對對稱安裝的彈黃的一端連接，彈黃的另 一端與豎向測尺6較接，豎向測尺6穿過刻度臺7,刻度臺7位于設置在通底豎井1上的橫 梁，兩個彈黃之間設有光纖掛桶12,光纖掛桶12的底端與變位臺15連接，光纖掛桶12內安 裝有波狀回路光纖8,波狀回路光纖8上設有光纖扣11，波狀回路光纖8的輸入端安裝有光 波發射器9,波狀回路光纖8的輸出端安裝有光波采集器10。
[0024] 在本發明中，鉆頭驅動裝置4可W采用電機驅動、液壓驅動或者是其它驅動方式， 在本發明中，采用電機驅動，變位臺15的兩端對稱的安裝有驅動電機，驅動電機與驅動軸 連接，驅動軸遠離驅動電機的一端設有外螺紋，錐形鉆頭14安裝在推板上，推板位于活塞 缸內，活塞缸另一端安裝有活塞，活塞向外的一端設有與外螺紋配合的螺紋孔，通過驅動電 機驅動驅動軸轉動，進而通過螺紋推動活塞運動，帶動推板移動，從而帶動錐形鉆頭14運 動。
[0025] 在本發明中，所述變位臺15的下方設有護底凸臺16,護底凸臺16可W起到預先到 達通底豎井1底端的功能，保護整個裝置性能發揮，在檢測維修時也有巨大功效；在實際監 測中，錐形鉆頭14遭受到外部豎向荷載，且將到達底端時，護底凸臺16會預先到達通底豎 井1的底端，起到減震效果。
[0026] 在本發明中，錐形鉆頭14為對稱分布，裝置進行安裝之前，對稱分布的錐形鉆頭 14處于壓縮狀態，其緊貼通底豎井1的外壁，在埋設安裝之后，通過驅動電機將錐形鉆頭14 固定于±石結合區域內部，在未安裝之前的收縮狀態可W大大降低工程開挖費用及保護工 序，在安裝到適合位置之后其可w長期處于伸長狀態，大大保證了傳感鉆頭對結構體長期 的跟蹤監測，在需要維護或檢測時，其可W收回，極大提高了其可重復性及監測精度。
[0027] 在本發明中，拉壓彈黃5上端與刻度臺7上的豎向測尺6較接，且豎向測尺6的初 始刻度與刻度臺7上水平面齊平，拉壓彈黃5的下端與變位臺15相連，上述部件的組合為 對稱分布，該組合構件在±石結合區域發生不均勻沉降時通過兩側錐形鉆頭14將對應側 沉降量通過變位臺15傳遞到對應側拉壓彈黃5上，拉壓彈黃5豎向變形帶動了刻度臺7上 豎向測尺6刻度變化，從而在地面上可直接有效地讀出該側沉降變形量數值。
[002引在本發明中，光纖掛桶12中，在與拉壓彈黃5平行的側面及光纖掛桶12中間部位 上，分布布置有光纖扣11，光纖扣11可W將從光波發射器9發出的波狀回路光纖8依次從 光纖掛桶12 -側的上端向下順延至變位臺15,后經過固定在變位臺15上的光纖扣11，W 一定弧度回路的方式，再依次從光纖掛桶12的另一側的下端向上順延至光波采集器10處， 且光纖掛桶12兩個布設有光纖扣11的側面都有刻度標示，作為坐標標志，光纖掛桶12中 軸面為彈性結構，錐形鉆頭14在遭受周圍±石結合區域不均勻沉降荷載時，其將豎向荷載 通過水平放置的變位臺15上的光纖扣11傳遞給豎向波狀分布的、處于中軸面的波狀回路 光纖8,在光波發射器9 一端不斷的發射出光信息，波狀回路光纖8中光學現象中的光信息 會不斷的發生變化，光波采集器10會不斷收集到其中變化的光信息，進而，將光信息進行 記錄與存儲，將采集到不同的光信息進行融合辨識，進行可W實現實時、分布式、微宏觀監 測±石結合區域沉降變化。
[0029] 在本發明中，波狀回路光纖8兩個端口都位于地面上，可W利用光時域反射技術 進行定位監測，同時利用雙端口的布里淵散射技術進行定量監測。利用兩端對稱分布的豎 向測尺6之間的動態的距離值及豎向測尺6的沉降數值可化測出其中任意一點沉降量值； 與此同時，波狀回路光纖8對外界荷載極其敏感，微小的變形量值也可被有效捕捉到，利用 波狀回路光纖8的監測結果值對豎向測尺6的監測結果值進行校準，可W實現精確監測± 石結合區域中各處存在的沉降量值。
[0030] 在本發明中，通底豎井1主體本部為圓筒狀，在通底豎井1主體的兩邊開始有錐形 鉆頭14移動的通道。光纖掛桶12是彈性較大的結構體，光纖掛桶12通過位于變位臺15 上的光纖扣11與變位臺15連接。
[0031] 將各組件按照由下到上，從左到右的順序進行組裝，使用常規通用傳感光纖作為 內部布置光纖，結合附圖對優先實施例進行解釋說明。
[0032] (1)開挖豎井，布置傳感鉆頭
[0033] 在待監測±石結合區域，開挖深度為10m的豎直圓桶，且基于前期所構建的通底 豎井1的直徑來確定所開挖的最小直徑，為了便于裝置安裝，需要開挖的直徑略大于通底 豎井1的直徑。然后將長度為10m、直徑略小于開挖豎井的通底豎井1下放到±石結合區域 的豎井內。
[0034] 似回填原上，彈出傳感鉆頭
[0035] 將開挖出的原±石結合區域沿著豎井與通底豎井1之間的空隙進行回填，啟動電 機，下方升降繩3將錐形鉆頭14放置到合適的位置，啟動鉆頭驅動裝置4,將錐形鉆頭14深 入到10m深的±石結合區域豎井的側壁內，再一次啟動電機，使得升降繩3處于松弛狀態；
[0036] (3)打開各信息采集裝置，采集及分析數據結果
[0037] 當一側的拉壓彈黃5受到從該側錐形鉆頭14所傳遞的對應側的沉降荷載時，對應 側豎向測尺6監測到的該側沉降變形量值為di，同時，當另一側拉壓彈黃5受到從與其對應 側錐形鉆頭14所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺6所監測到該側的沉降變形 量值為d,，兩側的拉壓彈黃5之間的距離標為以變形較小一側的拉壓彈黃5與待測點Q的 距離為M，則Q處的沉降量值為Sg=d2+(di-d2)M/L，位于中間位置處C點的沉降變形量值為 5。&= (d i+cg/2)，基于波狀回路光纖8所發生的瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射等光 信息的變化，監測到此刻變形量值為5。°，初始變形量值為奪/，則對于同一中間位置所監 測沉降差值的絕對值為I巧屯/)-年i，為構建±石結合區域不均勻沉降的計算公式，定義 不均勻沉降參量《，且《的表達式定義為?=|(和-電")-年1/年°，基于本監測裝置工作原理及 上述推導，待測點Q處的最終沉降計算公式支

【權利要求】
1. 一種水工結構變形分布式光纖監測裝置，其特征在于：包括通底豎井，所述通底豎 井內安裝有變位臺，變位臺上的兩側對稱的安裝有鉆頭驅動裝置，鉆頭驅動裝置與錐形鉆 頭連接；變位臺兩側的鉆頭驅動裝置分別與升降繩連接，升降繩纏繞在收線盤上，收線盤安 裝在齒輪軸上，齒輪軸上的齒輪與轉動齒輪嚙合，轉動齒輪由電機驅動；變位臺中部與一對 對稱安裝的彈簧的一端連接，彈簧的另一端與豎向測尺鉸接，豎向測尺穿過刻度臺，刻度臺 位于設置在通底豎井上的橫梁上，兩個彈簧之間設有光纖掛桶，光纖掛桶的底端與變位臺 連接，光纖掛桶內安裝有波狀回路光纖，波狀回路光纖上設有光纖扣，波狀回路光纖的輸入 端安裝有光波發射器，波狀回路光纖的輸出端安裝有光波米集器。
2. 根據權利要求1所述的水工結構變形分布式光纖監測裝置，其特征在于：所述升降 繩上設有刻度。
3. 根據權利要求1所述的水工結構變形分布式光纖監測裝置，其特征在于：所述通底 豎井的上端面設有水平儀。
4. 根據權利要求1所述的水工結構變形分布式光纖監測裝置，其特征在于：所述變位 臺的下方設有護底凸臺。
5. 根據權利要求1所述的水工結構變形分布式光纖監測裝置，其特征在于：所述變位 臺下方設有壓縮彈簧。
6. -種水工結構變形分布式光纖監測裝置的監測方法，其特征在于，包括以下步驟： 第1步，空載下，升降繩完全松開，將變位臺及其所承載的部件放松到通底豎井的最底 端，讓護底凸臺接觸到通底豎井的底面，測試拉壓彈簧及豎向測尺的工作狀態，用光波發射 器、光波采集器監測波狀回路光纖工作性態，待上述工序完成之后，未發現異常情況下，將 各部件恢復到原初始位置； 第2步，在土石結合區域中，開挖與通底豎井形狀結構類似的凹槽，通過水平儀調整通 底豎井與土石結合區域間的平衡，然后電機驅動升降繩下放錐形鉆頭、變位臺及護底凸臺， 在下降到指定位置后，通過查看升降繩上的刻度，使得變位臺兩邊升降繩的長度一樣長，使 變位臺、錐形鉆頭處于水平平衡位置，將事先安裝好的拉壓彈簧與刻度臺上的豎向測尺鉸 接，將已經安裝到光纖掛桶的波狀回路光纖引出到光波發射器及光波采集器處； 第3步，通過鉆頭驅動裝置推動錐形鉆頭從通底豎井穿出，最終將錐形鉆頭不斷深入 通底豎井周圍的土石結合區域內； 第4步，當一側的拉壓彈簧受到從該側錐形鉆頭所傳遞的對應側的沉降荷載時，對應 側豎向測尺監測到的該側沉降變形量值為Cl1，同時，當另一側拉壓彈簧受到從與其對應側 錐形鉆頭所傳遞的相應側的沉降荷載時，相應的豎向測尺所監測到該側的沉降變形量值為 d2，兩側的拉壓彈簧之間的距離標為L，變形較小一側的拉壓彈簧與待測點Q的距離為M， 則Q處的沉降量值為SzcU+^-cUM/L，位于中間位置處C點的沉降變形量值為S/ = (C^d2)/2)，基于波狀回路光纖所發生的瑞利散射和菲涅爾反射、布里淵散射等光信息的變 化，監測到此刻變形量值為S。°，初始變形量值為Sa°，則對于同一中間位置所監測沉降差 值的絕對值為|(4°-冬,°)_冬1，為構建土石結合區域不均勻沉降的計算公式，定義不均勻沉 降參量《，且《的表達式定義為基于本監測裝置工作原理及上述推導，
【文檔編號】G01B11/16GK104501732SQ201410784038
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優先權日:2014年12月16日
【發明者】蘇懷智, 楊孟, 李皓, 李星, 歐斌 申請人:河海大學