一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置及测斜方法

技术领域

本发明涉及光纤测斜技术领域，特别是涉及一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置及测斜方法。

背景技术

为了保证水利水电、矿产冶金、交通与城建岩土工程等工程领域的工程设计、施工及其使用安全，人们设计了测斜仪这一装置。测斜仪是一种被广泛用于测量钻孔、建筑物基坑、山体边坡等工程建筑的钻孔倾角和方位角的原位监测仪器。

测斜仪一般分为便携式测斜仪和固定式测斜仪，可用于测量隧道引起的地面位移、堤坝的变形、山体滑坡地区的倾斜状况、填埋场的沉降等情况。目前已有研究机构研制了电阻应变式、加速度计式和电子计式等电子式测斜仪。但是目前常使用的便携式测斜仪需要耗费较多的人力和时间，在一些极端环境下也无法保证安全的及时测量，而固定式测斜仪相对来说成本较高，而且在环境潮湿或者强电磁干扰、或者易燃易爆的测量环境下，电子式的测斜仪容易出现发生故障或者不适用的情况。

而近年来，光纤传感器得到了迅速发展，光纤测斜仪也应运而生，目前已有的光纤测斜仪主要是将光纤光栅绕在测斜管外部，这种方式中的测斜仪大多只能监测一个方向上的倾斜角度，光纤容易折断，某一部分发生损坏则需要全部更换，维护成本较高，而且无法排除外界振动导致的影响。

发明内容

基于此，有必要提供一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置及测斜方法，具有结构稳定、操作简便、不受使用环境影响、维护成本低等优点。

本发明提供的一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置包括：测斜管，所述测斜管内部包括N节测斜仪，所述测斜仪包括重力锤、弹性杆、盖子、腔体、多（如实例中3条）条传输光纤、多（实例中3个）个光纤光栅，所述腔体固定在所述测斜管内壁，所述重力锤、弹性杆、盖子、传输光纤、光纤光栅位于所述腔体内部，其中所述盖子与腔体相连，所述弹性杆上端固定在盖子下，所述重力锤固定在所述弹性杆的下端，所述光纤光栅刻写于所述传输光纤上并固定在弹性杆外壁用于测量倾斜产生的应变，所述腔体上下表面有光纤接口可以引入和引出传输光纤，分别连接N节测斜仪。

在一种可选的实施方式中，所述测斜管与所述腔体之间填充消音/减震材料或结构，用于减少外部振动的影响。

在一种可选的实施方式中，所述盖子和腔体之间填充消音/减震材料或结构，用于减少外部振动的影响。

在一种可选的实施方式中，所述消音材料为消音海绵、消音泡沫、玻璃纤维棉。

在一种可选的实施方式中，所述腔体内壁与所述重力锤之间填充了柔性减震材料（如海绵）用于隔绝外界振动和减小所述重力锤的晃动和振荡。

在一种可选的实施方式中，所述光纤光栅采用胶连的方式固定于所述弹性杆周围。

在一种可选的实施方式中，所述传输光纤和所述光纤光栅数量相等。

基于同一个发明，本发明还提供了一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置进行方向性测斜的方法，包括如下步骤：

S1：将N个测斜仪安装在测斜管内，测量每个测斜仪盖子之间的距离；

S2：记录每个测斜仪之间的间隔距离以及每个测斜仪内光纤光栅的倾角灵敏度；

S3：实时记录每个测斜仪中每个光纤光栅的波长数据；

S4：计算每个测斜仪所在位置的倾斜角度和倾斜方向，重构出整个测斜管的三维应变图，并实时显示。

单节测斜仪中的光纤光栅若受到倾斜导致的应力变化，会导致光纤光栅周期等发生变化，从而反射谱的中心波长漂移。在应用现场实时监测时，以山体斜坡为例，如果山坡发生了倾斜，会在测斜管中产生应变，其中传递到悬臂摆上使悬臂摆弯，在弹性杆不同位置上的光纤光栅产生不同程度的拉伸或压缩，如果山体斜坡发生倾斜越明显则测斜管倾斜角越大，弹性杆弯曲程度越大，对应光纤光栅产生的应变越大，并且能识别方向。

相比于现有技术，本发明提供的一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置。测斜仪可以识别倾斜的方向，单个测斜仪完全封闭，光纤通过安装在上下表面的光纤接口直接连接，光纤不易折断，可以多级串联，能实现大范围的全方位土层应变监测。另一方面，外界振动传递到光纤光栅上需要经过两次消音/减震材料或结构的过滤，大大减小了振动对探测器的影响，而且重力锤与腔体壁之间用柔性减震材料（如海绵）填充，再次隔绝外界振动，同时也可以减小摆锤的晃动和振荡。

附图说明

图1为本发明一实施方式的单个测斜仪示意图。

图2为本发明一实施方式三个光纤光栅的安装方式。

图3为本发明一实施方式的斜坡测量原理图。

其中，1-测斜管，2-测斜仪，3-重力锤，4-弹性杆，5-盖子，6-腔体，7-螺丝，8-三条传输光纤，9-第一光纤光栅，10-第二光纤光栅，11第三光纤光栅，12-光纤接口，13-消音材料，14-海绵。

具体实施方式

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称与另一个元件“连接”或元件被称为“连接至”另一个元件时，它可以直接与另一个元件连接或者也可以存在居中的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，其是本发明一实施方式的的单个测斜仪示意图。单个测斜仪2外部为测斜管1，所述测斜仪2包括重力锤3、弹性杆4、盖子5、腔体6、螺丝7、三条传输光纤8、第一光纤光栅9、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11、光纤接口12，所述腔体6固定在所述测斜管1内壁，所述重力锤3、弹性杆4、盖子5、螺丝7、三条传输光纤8、第一光纤光栅9、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11位于腔体6内部，其中盖子5通过所述螺丝7与腔体6相连，所述弹性杆4上端通过螺纹固定在盖子5下，所述重力锤3固定在所述弹性杆4的下端，所述第一光纤光栅9、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11固定于所述弹性杆4周围用于测量倾斜产生的应变，所述第一光纤光栅9，第二光纤光栅10和第三光纤光栅11分别刻写于三条传输光纤上，所述腔体6上下外壳安装所述光纤接口12来引入和引出传输光纤，分别与上一节测斜仪2和下一节测斜仪2相连。

单节测斜仪的结构以及工作原理是：光纤光栅若受到倾斜导致的应力变化，导致光纤光栅周期等发生变化，从而反射谱的中心波长漂移。在应用现场实时监测时，以山体斜坡为例，如果山坡发生了倾斜，会在测斜管中产生应变，其中传递到悬臂摆上使悬臂摆弯从而使得弹性杆4弯曲，第一光纤光栅9、第二光纤光栅10和第三光纤光栅11贴在弹性杆4的四周，弹性杆4弯曲会导致与弯曲方向成不同夹角的三个光栅9-11有不同程度的拉伸或压缩，如果山体斜坡发生倾斜越明显则测斜管倾斜角越大，弹性杆4的弯曲程度越大，对应第一光纤光栅9、第二光纤光栅10和第三光纤光栅11产生的应变越大。

如图2，三个光纤光栅与中心连线互成120°角，同一个测斜仪中的第一光纤光栅FBG_A、第二光纤光栅FBG_B和第三光纤光栅FBG_C对温度和应变的灵敏度相同，则有：

其中OA,OB,OC分别表示弹性杆4沿三个光纤光栅方向上的应变向量，

这样，弹性杆4的应变向量应为：

其中向量OP的方向为弹性杆4弯曲的方向，大小为弹性杆4弯曲的大小。

这样利用三根相同的光纤光栅不仅可以消除温度变化对系统的影响，还可以识别测斜仪倾斜的方向。

所述测斜管包括了N节测斜仪，利用光纤接口12来引入和引出传输光纤，分别与上一节测斜仪2和下一节测斜仪2相连，从而实现多级测斜仪监测斜坡，如图2所示，每节所用的光纤光栅的中心波长不同，由此可以实现波分复用，设计单根通道需要安装10-20个这样的测斜仪，设置每两测斜仪之间的间隔，只需要使用光纤光栅解调仪的三个通道即可解调出每节测斜仪的倾斜角度，最后利用下式可以计算出斜坡的上表层滑动的距离。

其中，

通过这个设计可以实现多级串联。

另一方面，测斜管1与腔体6外壁之间以及盖子5和腔体6之间都填充了消音材料13，这样外界的振动影响从测斜管1传递到弹性杆4上需要经过两次消音材料13的过滤，这就大大减小了振动对系统的影响。

在本实施例中，所述消音材料13为消音海绵。

在本实施例中，我们在腔体6内壁与重力锤3之间填充了海绵14，再次隔绝外界振动，同时也可以减小重力锤3的晃动和振荡。

在本实施例中，所述第一光纤光栅9，第二光纤光栅10和第三光纤光栅11采用胶连的方式固定于所述弹性杆4周围。

在本实施例中，利用一种可识别方向、抗震的光纤测斜装置进行方向性测斜的方法，包括如下步骤：

S1：将10个测斜仪安装在测斜管内，测量每个测斜仪盖子之间的距离；

S2：记录每个测斜仪之间的间隔距离以及每个测斜仪内三个光纤光栅的倾角灵敏度；

S3：实时记录每个测斜仪中每个光纤光栅的波长数据；

S4：计算每个测斜仪所在位置的倾斜角度和倾斜方向，重构出整个测斜管的三维应变图，并实时显示。

该实施例中，测斜仪可以识别倾斜的方向，单个测斜仪完全封闭，光纤通过安装在上下表面的光纤接口直接连接，光纤不易折断，可以多级串联，能实现大范围的全方位土层应变监测。另一方面，外界振动传递到光纤光栅上需要经过两次消音材料的过滤，大大减小了振动对探测器的影响，而且重力锤与腔体壁之间用柔性海绵填充，再次隔绝外界振动，同时也可以减小摆锤的晃动和振荡。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。