本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

目前，用于巖土工程滑坡監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括表面位移監(jiān)測(cè)和內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。通常情況下二者的監(jiān)測(cè)采用不同的系統(tǒng)和傳感器，其中表面位移多采用全站儀、gps等技術(shù)，內(nèi)部位移多采用測(cè)斜儀進(jìn)行觀測(cè)。目前存在兩個(gè)明顯的缺陷：1)不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部位移的連續(xù)不間斷的高精度測(cè)量；2)不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部系統(tǒng)及傳感器的并置和共位測(cè)量。以上兩個(gè)缺陷造成了位移測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性較差以及數(shù)據(jù)不能兼容等問(wèn)題。

基于此，擬設(shè)計(jì)能同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)部和外部位移的傳感器，采用了無(wú)線測(cè)距定位技術(shù)和光纖光柵技術(shù)制作了此傳感器，兩種技術(shù)在物理上和幾何上實(shí)現(xiàn)了融合，利用此傳感器監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)能密切結(jié)合內(nèi)部和外部位移數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡分析，有效的反映出滑坡體穩(wěn)定現(xiàn)狀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器及其應(yīng)用，本發(fā)明通過(guò)獲取光纖布拉格光柵傳感器光學(xué)特性的變化來(lái)計(jì)算滑坡體的內(nèi)部位移，以及通過(guò)超寬帶無(wú)線定位傳感器測(cè)量得到的三維位置時(shí)間序列來(lái)計(jì)算坡體的表面位移，并同時(shí)通過(guò)分析表面和內(nèi)部位移，來(lái)解決自然滑坡體、高邊坡、深基坑等過(guò)程中滑坡的監(jiān)測(cè)和預(yù)警問(wèn)題。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器，傳感器包括pvc桿件，pvc桿件的一端部安裝有無(wú)線測(cè)距終端，pvc桿件的側(cè)壁上沿桿件的延伸方向平行設(shè)有第一光纖、第二光纖和第三光纖，第一光纖、第二光纖和第三光纖內(nèi)設(shè)有布拉格光柵。

本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是：

前述第一光纖、第二光纖和第三光纖在pvc桿件的橫截面上均勻分布，三條光纖與橫截面的中心點(diǎn)的連線互為120°夾角。

前述pvc桿件的長(zhǎng)度為2m。

前述pvc桿件的內(nèi)直徑為30mm，外直徑為35mm。

前述無(wú)線測(cè)距終端為超寬帶測(cè)距終端。

前述無(wú)線測(cè)距終端為封裝好的長(zhǎng)、寬、厚為30mm、20mm、8mm的測(cè)距模塊，能實(shí)現(xiàn)測(cè)距測(cè)量和手機(jī)的模塊，主要配合外圍已知位置的測(cè)站的坐標(biāo)來(lái)使用，通過(guò)距離計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)此測(cè)距終端精確位置的測(cè)量。

進(jìn)一步的，

本發(fā)明還提供一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用，包括如下具體步驟：

步驟(一)、傳感器各組件的組合形式和結(jié)構(gòu)：

傳感器包括pvc桿件、第一光纖、第二光纖、第三光纖、布拉格光柵、無(wú)線測(cè)距終端；pvc桿件的長(zhǎng)度為2m，內(nèi)直徑為30mm，外直徑為35mm；

在pvc桿件的其中一個(gè)端點(diǎn)采用直徑為35mm、厚度為3mm的pvc圓片進(jìn)行焊接封口，并在圓片的外表面用膠水固定無(wú)線測(cè)距終端；并在pvc桿件的外壁上刻三道安裝槽，三道安裝槽沿pvc桿件的延伸方向排布，兩兩之間相隔120°；

采用單模光纖將布拉格光柵連接起來(lái)得到光纖布拉格光柵，平均0.5米一個(gè)光柵，分別在0.5米、1米和1.5米處安裝三個(gè)波長(zhǎng)為1584nm，、1560nm和1550nm的三個(gè)布拉格光柵，每個(gè)光柵的標(biāo)距均為20mm長(zhǎng)度；

步驟(二)、傳感器測(cè)量?jī)?nèi)部位移場(chǎng)的基本技術(shù)原理：

利用光纖和光柵測(cè)量?jī)?nèi)部位移場(chǎng)主要是通過(guò)一定的方式(如機(jī)械鉆孔)，將傳感器以垂直的方向埋入到巖土體內(nèi)部，并把頭部漏出地面100mm±5mm，當(dāng)傳感器在巖土體內(nèi)部收到測(cè)量的力時(shí)，pvc桿件發(fā)生形變，通過(guò)光纖布拉格光柵測(cè)量，可將形變換算為內(nèi)部位移；

光纖布拉格光柵的工作原理是通過(guò)改變纖芯區(qū)折射率，從而產(chǎn)生小的周期性調(diào)制。應(yīng)變和溫度是光纖光柵最直接的兩個(gè)傳感參量。

布拉格光柵對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射波長(zhǎng)的表達(dá)式為：

λ＝2neffλ(1)

當(dāng)傳感器的pvc桿件因受力發(fā)生彎曲時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生變化進(jìn)而導(dǎo)致反射波長(zhǎng)的變化，變化量為：

δλ＝2δneffλ+2neffδλ(2)

當(dāng)溫度變化不大時(shí)，忽略溫度的影響，可得應(yīng)變和波長(zhǎng)：

上式為利用光纖光柵測(cè)量pvc管應(yīng)變的基本關(guān)系式，測(cè)量的誤差≤5％；p為光纖的彈光系數(shù)，約為0.22；

此外，三根光纖須與指定的窄帶光源和解調(diào)儀相連接，測(cè)得必要的波長(zhǎng)變化，繼而求得pvc管的應(yīng)變量；

對(duì)于pvc桿件，其任意一點(diǎn)因彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舖(r,θ,z)與其曲率半徑ρ(z)的關(guān)系為：

光纖位于傳感器pvc桿件的外側(cè)，且光纖與最大應(yīng)變方向的夾角θ＝0°，故：

r為傳感器pvc桿件的外徑，又由：

因此傳感器pvc桿件的撓度ω(z)為

m，n為待定系數(shù)，可由傳感器pvc桿件的邊界條件確定；

采用定積分法對(duì)撓度進(jìn)行計(jì)算，需要對(duì)應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，誤差會(huì)逐漸累積而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。分布式光纖測(cè)斜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)為采樣間隔點(diǎn)的離散數(shù)據(jù)，因此本文通過(guò)差分法求解撓度。該方法可反映工程中離散變量的取值與變化規(guī)律。采用差分法求解撓度，一階差分方程為：

相應(yīng)的二階差分方程為

因此，分布式光纖測(cè)斜儀的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系方程可以表達(dá)為

上述方程組可改寫為以下的矩陣形式：

式中f0，fn+1為邊界端的撓度值，fi(i＝1～n)為第i個(gè)光纖采樣點(diǎn)的撓度值；h為采樣間距，根據(jù)實(shí)測(cè)情況確定；r為測(cè)斜管的外徑；εi(i＝1～n)為第i個(gè)光纖采樣點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變值；由于測(cè)斜管采用兩端簡(jiǎn)支，因此邊界點(diǎn)的撓度f(wàn)0和fn+1均為0，代入得：

消去上式中系數(shù)矩陣第一列和最后一列，改寫成以下形式：

上式中的系數(shù)矩陣為方陣且可逆，因此可以通過(guò)矩陣運(yùn)算直接求得位移和采樣點(diǎn)所測(cè)應(yīng)變的關(guān)系，即：

步驟(三)、傳感器測(cè)量外部位移場(chǎng)的基本技術(shù)原理：

傳感器外部測(cè)量是利用至少3個(gè)外圍基站測(cè)量傳感器頂部的無(wú)線測(cè)距終端的距離而計(jì)算無(wú)線測(cè)距終端的位置，是基于距離測(cè)量的空間后方交會(huì)；

已知多個(gè)無(wú)線測(cè)距基站坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xn,yn,zn)，其中，n為無(wú)線測(cè)距基站的數(shù)量，則對(duì)于第i個(gè)無(wú)線測(cè)距基站，它與無(wú)線測(cè)距終端之間觀測(cè)得到的距離量為

其中，si為無(wú)線測(cè)距基站和無(wú)線測(cè)距終端的距離量，而第i個(gè)無(wú)線測(cè)距基站的坐標(biāo)(xi,yi,zi)是先精確已知，則求解無(wú)線測(cè)距終端坐標(biāo)(x,y,z)至少需要三個(gè)以上的無(wú)線測(cè)距基站；假設(shè)有三臺(tái)以上的無(wú)線測(cè)距基站同時(shí)對(duì)接收機(jī)觀測(cè)(n≥3)，則有以下方程：

由于式(16)是非線性方程組，故要先將其線性化，即按泰勒公式展開，取到一階；并假設(shè)無(wú)線測(cè)距基站的初始近似位置為(x0,y0,z0)，則測(cè)距方程可以有如下表示方式：

令則上式可改寫為

令l＝[s1,s2,…,sn]^t為觀測(cè)量，h＝[h1,h2,…,hn]^t為設(shè)計(jì)矩陣，其中l＝[(x-x0),(y-y0),(z-z0)]^t為待求解未知數(shù)，δ＝[δ1,δ2,…,δn]^t為誤差向量，則可以得到如下觀測(cè)方程

l＝hx+δ(19)

由于上述方程為一個(gè)線性方程組，而通常要求n>3，則超定方程組可以有如下最小二乘解

x＝(h^tph)^-1h^tl(20)

步驟(四)、工程應(yīng)用中傳感器的封裝工藝：

將光纖布拉格光柵放入三道安裝槽，涂抹環(huán)氧膠水，待固化后，在pvc桿件的外表面，利用封裝打包膠帶進(jìn)行完全纏繞封裝；完全纏繞要求纏繞時(shí)，上一圈和下一圈的膠帶重疊保持在膠帶寬度的30～50％；完全纏繞完畢后，在最外層利用尼龍布進(jìn)行完全纏繞封裝。

前述安裝槽的深度、寬度均為1mm。

前述封裝打包膠帶的寬度為60mm、厚度為0.06mm、基體為聚丙烯薄膜、膠系為丙烯酸。

前述尼龍布的寬度為100mm、密度大于210t，同時(shí)軋光染色。

本發(fā)明公開了一種同時(shí)可以進(jìn)行滑坡體內(nèi)部位移和滑坡體表面位移測(cè)量的傳感器，設(shè)計(jì)一種測(cè)量表面位移的無(wú)線三維位置測(cè)量設(shè)備，以及把光信號(hào)改變轉(zhuǎn)化為位移參數(shù)的光纖光柵傳感設(shè)備，本發(fā)明的目的是通過(guò)獲取光纖布拉格光柵傳感器光學(xué)特性的變化來(lái)計(jì)算滑坡體的內(nèi)部位移，以及通過(guò)超寬帶無(wú)線定位傳感器測(cè)量得到的三維位置時(shí)間序列來(lái)計(jì)算坡體的表面位移，并同時(shí)通過(guò)分析表面和內(nèi)部位移，來(lái)解決自然滑坡體、高邊坡、深基坑等過(guò)程中滑坡的監(jiān)測(cè)和預(yù)警問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為光纖排布示意圖；

圖3為光纖布拉格光柵傳感器的工作原理；

圖4為pvc桿件彎曲產(chǎn)生應(yīng)變計(jì)算位移的理論模型；

圖5為本發(fā)明的工作原理示意框圖；

圖6為傳感器外部測(cè)量原理示意圖；

其中，1-pvc桿件，2-第一光纖，3-第二光纖，4-第三光纖，5-布拉格光柵，6-無(wú)線測(cè)距終端，7-廣普光，8-λ反射的布拉格波長(zhǎng)，9-λ布拉格波長(zhǎng)，10-巖土體。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器，如圖1所示，傳感器包括pvc桿件1，pvc桿件1的一端部安裝有無(wú)線測(cè)距終端6，pvc桿件1的側(cè)壁上沿桿件的延伸方向平行設(shè)有第一光纖2、第二光纖3和第三光纖4，第一光纖2、第二光纖3和第三光纖4內(nèi)設(shè)有布拉格光柵5。如圖2所示，前述第一光纖2、第二光纖3和第三光纖4在pvc桿件1的橫截面上均勻分布，三條光纖與橫截面的中心點(diǎn)的連線互為120°夾角。前述pvc桿件1的長(zhǎng)度為2m。前述pvc桿件1的內(nèi)直徑為30mm，外直徑為35mm。前述無(wú)線測(cè)距終端6為超寬帶測(cè)距終端。前述無(wú)線測(cè)距終端6為封裝好的長(zhǎng)、寬、厚為30mm、20mm、8mm的測(cè)距模塊，能實(shí)現(xiàn)測(cè)距測(cè)量和手機(jī)的模塊，主要配合外圍已知位置的測(cè)站的坐標(biāo)來(lái)使用，通過(guò)距離計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)此測(cè)距終端精確位置的測(cè)量。

本實(shí)施例還提供一種同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)外位移場(chǎng)的滑坡監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用，如圖5所示，包括如下具體步驟：

步驟(一)、傳感器各組件的組合形式和結(jié)構(gòu)：

傳感器包括pvc桿件、第一光纖、第二光纖、第三光纖、布拉格光柵、無(wú)線測(cè)距終端；pvc桿件的長(zhǎng)度為2m，內(nèi)直徑為30mm，外直徑為35mm；在pvc桿件的其中一個(gè)端點(diǎn)采用直徑為35mm、厚度為3mm的pvc圓片進(jìn)行焊接封口，并在圓片的外表面用膠水固定無(wú)線測(cè)距終端；并在pvc桿件的外壁上刻三道安裝槽，三道安裝槽沿pvc桿件的延伸方向排布，兩兩之間相隔120°；采用單模光纖將布拉格光柵連接起來(lái)得到光纖布拉格光柵，平均0.5米一個(gè)光柵，分別在0.5米、1米和1.5米處安裝三個(gè)波長(zhǎng)為1584nm，、1560nm和1550nm的三個(gè)布拉格光柵，每個(gè)光柵的標(biāo)距均為20mm長(zhǎng)度；

步驟(二)、傳感器測(cè)量?jī)?nèi)部位移場(chǎng)的基本技術(shù)原理：

利用光纖和光柵測(cè)量?jī)?nèi)部位移場(chǎng)主要是通過(guò)一定的方式(如機(jī)械鉆孔)，將傳感器以垂直的方向埋入到巖土體內(nèi)部，并把頭部漏出地面100mm±5mm，當(dāng)傳感器在巖土體內(nèi)部收到測(cè)量的力時(shí)，pvc桿件發(fā)生形變，通過(guò)光纖布拉格光柵測(cè)量，可將形變換算為內(nèi)部位移；光纖布拉格光柵的工作原理是通過(guò)改變纖芯區(qū)折射率，從而產(chǎn)生小的周期性調(diào)制。應(yīng)變和溫度是光纖光柵最直接的兩個(gè)傳感參量。

如圖3所示，布拉格光柵對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射波長(zhǎng)的表達(dá)式為：

λ＝2neffλ(1)

當(dāng)傳感器的pvc桿件因受力發(fā)生彎曲時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生變化進(jìn)而導(dǎo)致反射波長(zhǎng)的變化，變化量為：

δλ＝2δneffλ+2neffδλ(2)

當(dāng)溫度變化不大時(shí)，忽略溫度的影響，可得應(yīng)變和波長(zhǎng)：

上式為利用光纖光柵測(cè)量pvc管應(yīng)變的基本關(guān)系式，測(cè)量的誤差≤5％；p為光纖的彈光系數(shù)，約為0.22；

此外，三根光纖須與指定的窄帶光源和解調(diào)儀相連接，測(cè)得必要的波長(zhǎng)變化，繼而求得pvc管的應(yīng)變量；

如圖4所示，對(duì)于pvc桿件，其任意一點(diǎn)因彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舖(r,θ,z)與其曲率半徑ρ(z)的關(guān)系為：

光纖位于傳感器pvc桿件的外側(cè)，且光纖與最大應(yīng)變方向的夾角θ＝0°，故：

r為傳感器pvc桿件的外徑，又由：

因此傳感器pvc桿件的撓度ω(z)為

m，n為待定系數(shù)，可由傳感器pvc桿件的邊界條件確定；

采用定積分法對(duì)撓度進(jìn)行計(jì)算，需要對(duì)應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，誤差會(huì)逐漸累積而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。分布式光纖測(cè)斜儀測(cè)得的數(shù)據(jù)為采樣間隔點(diǎn)的離散數(shù)據(jù)，因此本文通過(guò)差分法求解撓度。該方法可反映工程中離散變量的取值與變化規(guī)律。采用差分法求解撓度，一階差分方程為：

相應(yīng)的二階差分方程為

因此，分布式光纖測(cè)斜儀的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系方程可以表達(dá)為

上述方程組可改寫為以下的矩陣形式：

式中f0，fn+1為邊界端的撓度值，fi(i＝1～n)為第i個(gè)光纖采樣點(diǎn)的撓度值；h為采樣間距，根據(jù)實(shí)測(cè)情況確定；r為測(cè)斜管的外徑；εi(i＝1～n)為第i個(gè)光纖采樣點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)變值；由于測(cè)斜管采用兩端簡(jiǎn)支，因此邊界點(diǎn)的撓度f(wàn)0和fn+1均為0，代入得：

消去上式中系數(shù)矩陣第一列和最后一列，改寫成以下形式：

上式中的系數(shù)矩陣為方陣且可逆，因此可以通過(guò)矩陣運(yùn)算直接求得位移和采樣點(diǎn)所測(cè)應(yīng)變的關(guān)系，即：

步驟(三)、傳感器測(cè)量外部位移場(chǎng)的基本技術(shù)原理：

如圖6所示，傳感器外部測(cè)量是利用至少3個(gè)外圍基站測(cè)量傳感器頂部的無(wú)線測(cè)距終端的距離而計(jì)算無(wú)線測(cè)距終端的位置，是基于距離測(cè)量的空間后方交會(huì)；

已知多個(gè)無(wú)線測(cè)距基站坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xn,yn,zn)，其中，n為無(wú)線測(cè)距基站的數(shù)量，則對(duì)于第i個(gè)無(wú)線測(cè)距基站，它與無(wú)線測(cè)距終端之間觀測(cè)得到的距離量為

其中，si為無(wú)線測(cè)距基站和無(wú)線測(cè)距終端的距離量，而第i個(gè)無(wú)線測(cè)距基站的坐標(biāo)(xi,yi,zi)是先精確已知，則求解無(wú)線測(cè)距終端坐標(biāo)(x,y,z)至少需要三個(gè)以上的無(wú)線測(cè)距基站；假設(shè)有三臺(tái)以上的無(wú)線測(cè)距基站同時(shí)對(duì)接收機(jī)觀測(cè)(n≥3)，則有以下方程：

由于式(16)是非線性方程組，故要先將其線性化，即按泰勒公式展開，取到一階；并假設(shè)無(wú)線測(cè)距基站的初始近似位置為(x0,y0,z0)，則測(cè)距方程可以有如下表示方式：

令則上式可改寫為

令l＝[s1,s2,…,sn]^t為觀測(cè)量，h＝[h1,h2,…,hn]^t為設(shè)計(jì)矩陣，其中l＝[(x-x0),(y-y0),(z-z0)]t為待求解未知數(shù)，δ＝[δ1,δ2,…,δn]^t為誤差向量，則可以得到如下觀測(cè)方程

l＝hx+δ(19)

由于上述方程為一個(gè)線性方程組，而通常要求n>3，則超定方程組可以有如下最小二乘解

x＝(h^tph)^-1h^tl(20)

步驟(四)、工程應(yīng)用中傳感器的封裝工藝：

將光纖布拉格光柵放入三道安裝槽，涂抹環(huán)氧膠水，待固化后，在pvc桿件的外表面，利用封裝打包膠帶進(jìn)行完全纏繞封裝；完全纏繞要求纏繞時(shí)，上一圈和下一圈的膠帶重疊保持在膠帶寬度的30～50％；完全纏繞完畢后，在最外層利用尼龍布進(jìn)行完全纏繞封裝。前述安裝槽的深度、寬度均為1mm。前述封裝打包膠帶的寬度為60mm、厚度為0.06mm、基體為聚丙烯薄膜、膠系為丙烯酸。前述尼龍布的寬度為100mm、密度大于210t，同時(shí)軋光染色。

本實(shí)施例公開了一種同時(shí)可以進(jìn)行滑坡體內(nèi)部位移和滑坡體表面位移測(cè)量的傳感器，設(shè)計(jì)一種測(cè)量表面位移的無(wú)線三維位置測(cè)量設(shè)備，以及把光信號(hào)改變轉(zhuǎn)化為位移參數(shù)的光纖光柵傳感設(shè)備，本發(fā)明的目的是通過(guò)獲取光纖布拉格光柵傳感器光學(xué)特性的變化來(lái)計(jì)算滑坡體的內(nèi)部位移，以及通過(guò)超寬帶無(wú)線定位傳感器測(cè)量得到的三維位置時(shí)間序列來(lái)計(jì)算坡體的表面位移，并同時(shí)通過(guò)分析表面和內(nèi)部位移，來(lái)解決自然滑坡體、高邊坡、深基坑等過(guò)程中滑坡的監(jiān)測(cè)和預(yù)警問(wèn)題。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。