一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统的制作方法

本发明属于光纤光学测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统。

背景技术：

沉降监测是建筑结构健康监测中一项重要的监测内容，尤其是针对软土地基上的大型建筑，如：水库大坝、人工岛岛壁等。在建筑荷载的作用下，这类大型工程的地基通常会发生一定程度的沉降，且存在长期的缓慢不均匀沉降，沉降将对建筑的结构稳定性产生影响。因此，对建筑的沉降监测，尤其是对土体的分层沉降特征监测具有重要的工程价值和意义。

目前对建筑地基的土体分层沉降监测主要采用磁坏式土体分层沉降测量方法，该沉降测量方法由地下埋入传感器和地面接收仪器两部分构成。地下埋入传感器由沉降导管、底盖和沉降磁环组成；地面接收仪器由测头、测量电缆、接收系统和绕线盘等部分组成。测量过程为：将沉降磁环分段固定在沉降导管外侧，并在需要监测的地点钻孔埋入沉降导管。测量时，把测头放入沉降导管内，通过测量电缆，让测头缓慢地向下移动，当测头接触到土层中的沉降磁环时，接收系统会发出连续的蜂鸣声，此时记下沉降磁环的深度，并将本次测量深度与前一次进行比较，其差值即定义为土体的实际沉降量。

目前普遍采用的磁环式土体分层沉降测量方法，采用人工读数，存在读数误差；同时人工读取时，由于下放过程的稳定性和重复性问题还会产生其他的系统误差。另外，该测量方法定时定点进行人工读数，作量较大，不能进行实时监测，其监测效采具有严重的滞后性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统，以解决现有技术中测量存在误差并且不能实时监测的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统，包括信号解调部分、网络拓扑结构、信号探测部分和测量部分；信号解调部分包括宽谱光源、第一连接光纤、第二连接光纤、第一光纤环形器、调节臂、数据采集卡和计算机，数据采集卡与计算机连接，调节臂包括第一分光器、第一自聚焦光纤准直器、第一反射器和步进电机；宽谱光源连接到第一光纤环形器的一号端口，第一光纤环形器的二号端口通过第一连接光纤与第一分光器的输入端相连，第一分光器的输出端与第一自聚焦光纤准直器连接，第一自聚焦光纤准直器与第一反射器之间形成空气光程；第一反射器固定在能够做直线运动的步进电机上，步进电机由计算机控制；

网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成，一级多路分路器或光开关的输入端与第一光纤环形器的三号端口通过第二连接光纤连接，一级多路分路器或光开关的输出端分别连接二级多路分路器或光开关的输入端……以此类推，最后(n-1)级多路分路器或光开关的输出端分别连接n级多路分路器或光开关的输入端，n级多路分路器或光开关与信号探测部分连接；

信号探测部分包括多个探测单元，每个探测单元包括第二光纤环形器和光电探测器，第二光纤环形器的一号端口与n级多路分路器或光开关的输出端连接，第二光纤环形器的二号端口与光电探测器的输入端连接，第二光纤环形器的三号端口与测量部分连接，光电探测器的输出端与数据采集卡连接；

测量部分包括多个相同的桩基式沉降传感器，每个桩基式沉降传感器包括第二分光器、第二自聚焦光纤准直器、第二反射器、保护外壳、沉降环和基桩，第二光纤环形器固定在保护外壳外部，第二分光器和第二自聚焦光纤准直器均固定在保护外壳内部的顶部，保护外壳与沉降环固定连接，沉降环固定在待测的土体上，基桩固定设置且位置不发生变化，第二反射器固定在基桩的顶部；第二自聚焦光纤准直器和第二反射器正对；第二分光器的输入端与第二光纤环形器的三号端口连接，第二分光器的输出端与第二自聚焦光纤准直器连接。

本技术方案的工作原理在于：宽谱光源发出的光经过第一光纤环形器的一号端口被耦合到第一光纤环形器中，并由二号端口射出；射出的光经过第一连接光纤在第一分光器处被分成两部分。其中一部分光被反射回第一连接光纤，并从第一光纤环形器的二号端口入射。另一部分光透射过第一分光器，通过第一自聚焦光纤准直器发射后，经第一反射器反射，再经过第一自聚焦光纤准直器的耦合，然后通过第一分光器和第一连接光纤，并从第一光纤环形器的二号端口入射，最后从第一光纤环形器的三号端口射出。

从第一光纤环形器的三号端口射出的光经过第二连接光纤进入到一级多路分路器或者光开关的输入端，最终经过n级多路分路器或者光开关的输出端射出，并通过第二光纤环形器的一号端口入射，由第二光纤环形器的三号端口进入第二分光器中，进入第二分光器的光被分成两部分。一部分光被反射进入第二光纤环形器三号端口。另一部分光由第二自聚焦光纤准直器投射到第二反射器，经第二反射器反射后，这部分光重新耦合入第二自聚焦光纤准直器，经由第二分光器，入射到第二光纤环形器三号端口。由第二光纤环形器三号端口入射的光从第二光纤环形器二号端口出射进入光电探测器，光电探测器将光信号转化为相应的电信号传给数据采集卡，数据采集卡再将电信号传给计算机。计算机将得到的电信号进行运算后得到第二分光器到第二反射器的距离。

当土体发生沉降时，桩基式沉降传感器上的沉降环随土体共同沉降，从而改变了桩基式沉降传感器中第二分光器到第二反射器的距离。计算机根据该数据调节步进电机的位置，从而实现对沉降的实时监测。

本技术方案的有益效果在于：(1)本方案采用第一分光器和第二分光器，实现了对透射光和反射光的分光比的良好控制，消除了光纤对测量的影响，极大的降低了环境因素对测量的影响。(2)本方案设置网络拓扑结构，实现了远距离测量，设置多个探测单元，实现了多点式测量，具有结构稳定、环境适应性好、可移植性好、适合于工程化等优势。(3)本方案的沉降测量精度可达5微米，测量的精度非常高。

进一步，桩基式沉降传感器的安装步骤如下：

(1)在待测的地基上钻测量孔，向测量孔的底部回填水泥；

(2)将桩基式沉降传感器放入到测量孔内并插入到水泥中，沉降环的外圆与测量孔的孔壁之间的距离大于2cm；

(3)将第二分光器的输入端与第二光纤环形器的输出端、第二分光器的输出端与第二自聚焦光纤准直器连接起来；

(4)向测量孔与桩基式沉降传感器之间的间隙中缓慢回填水泥，填满后即可进行土体分层沉降的测量。

沉降环的外圆与测量孔的孔壁之间的距离大于2cm，便于步骤(4)中水泥的回填。

本方案能够将沉降环与土体合为一体，保证土体的沉降能够直接带动沉降环发生移动，从而保证测量的准确性。

进一步，所述第一分光器到第一反射器之间的光程比测量部分测得的第二反射器到第二分光器之间的光程短5-6cm。由于第一反射器是安装在步进电机上的，步进电机在做扫描运动的过程中，可以保证步进电机能够扫描到中间位置，这样恰好使步进电机上的第一反射器在扫描过程中可以找到两者的等光程位置。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统的总体结构示意图；

图2是图1中距离测量的原理图；

图3是图1中桩基式沉降传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：宽谱光源1、第一光纤环形器2、第一连接光纤3、第一分光镜4、第一自聚焦光纤准直镜5、第一反射镜6、步进电机7、第二连接光纤8、一级多路分路器9、二级多路分路器10、第二光纤环形器11、保护外壳12、基桩13、沉降环14、光电探测器15、第三连接光纤16、第二分光镜17、第二自聚焦光纤准直镜18、第二反射镜19、第四连接光纤20。

实施例基本如附图1-3所示：一种基于光纤光学测量技术的桩基式土体沉降监测系统，包括信号解调部分、网络拓扑结构、信号探测部分和测量部分；信号解调部分包括宽谱光源1、第一连接光纤3、第二连接光纤8、第一光纤环形器2、调节臂、数据采集卡和计算机，数据采集卡与计算机连接，调节臂包括第一分光镜4、第一自聚焦光纤准直镜5、第一反射镜6和步进电机7；宽谱光源1连接到第一光纤环形器2的一号端口，第一光纤环形器2的二号端口通过第一连接光纤3与第一分光镜4的输入端相连，第一分光镜4的输出端与第一自聚焦光纤准直镜5连接，第一自聚焦光纤准直镜5与第一反射镜6之间形成空气光程；第一反射镜6固定在能够做直线运动的步进电机7上，步进电机7由计算机控制；

网络拓扑结构由光开关或多路分路器构成并且以树状结构连接形成，一级多路分路器9或光开关的输入端与第一光纤环形器2的三号端口通过第二连接光纤8连接，一级多路分路器9或光开关的输出端分别连接二级多路分路器10或光开关的输入端……以此类推，最后(n-1)级多路分路器或光开关的输出端分别连接n级多路分路器或光开关的输入端，n级多路分路器或光开关与信号探测部分连接；

信号探测部分包括多个探测单元，每个探测单元包括第二光纤环形器11、光电探测器15、第三连接光纤16和第四连接光纤20，第二光纤环形器11的一号端口与n级多路分路器或光开关的输出端连接，第二光纤环形器11的二号端口与光电探测器15的输入端通过第四连接光纤20连接，第二光纤环形器11的三号端口与测量部分通过第三连接光纤16连接，光电探测器15的输出端与数据采集卡连接；

测量部分包括多个相同的桩基式沉降传感器，每个桩基式沉降传感器包括第二分光镜17、第二自聚焦光纤准直镜18、第二反射镜19、保护外壳12、沉降环14和基桩13，第二光纤环形器11固定在保护外壳12外部，第二分光镜17和第二自聚焦光纤准直镜18均固定在保护外壳12内部的顶部，保护外壳12与沉降环14固定连接，沉降环14固定在待测的土体上，基桩13固定设置且位置不发生变化，第二反射镜19固定在基桩13的顶部；第二自聚焦光纤准直镜18和第二反射镜19正对；第二分光镜17的输入端与第二光纤环形器11的三号端口连接，第二分光镜17的输出端与第二自聚焦光纤准直镜18连接。

该桩基式沉降传感器的安装步骤如下：

(1)在待测的地基上钻测量孔，向测量孔的底部回填水泥；

(2)将桩基式沉降传感器放入到测量孔内并插入到水泥中，沉降环14的外圆与测量孔的孔壁之间的距离大于2cm；

(3)将第二分光镜17的输入端与第二光纤环形器11的输出端、第二分光镜17的输出端与第二自聚焦光纤准直镜18连接起来；

(4)向测量孔与桩基式沉降传感器之间的间隙中缓慢回填水泥，填满后即可进行土体分层沉降的测量。

具体实施过程如下：首先构建等光程，过程如下：

传感光程a：第二分光镜17到第二反射镜19之间的光程；

导引光程b：第一分光镜4到第二分光镜17之间的光程；

解调光程c：第一分光镜4到第二分光镜17之间的光程；

因为a+b＝b+c，两边都含有b，所以b不会对测量产生影响，正是这一特点为远距离测量提供了保证，使得光纤能够延伸而不会对测量产生误差。当步进电机7扫描使解调光程c和传感光程a相等时，就可以得到相干信号。当传感光程a发生改变时，解调光程c也将发生相应的变化，从而实现对桩基式沉降传感器中第二分光镜17到第二反射镜19间距离的测量。

宽谱光源1发出的光经过第一光纤环形器2的一号端口被耦合到第一光纤环形器2中，并由二号端口射出；射出的光经过第一连接光纤3在第一分光镜4处被分成两部分。其中一部分光被反射回第一连接光纤3，并从第一光纤环形器2的二号端口入射。另一部分光透射过第一分光镜4，通过第一自聚焦光纤准直镜5发射后，经第一反射镜6反射，再经过第一自聚焦光纤准直镜5的耦合，然后通过第一分光镜4和第一连接光纤3，并从第一光纤环形器2的二号端口入射，最后从第一光纤环形器2的三号端口射出。

从第一光纤环形器2的三号端口射出的光经过第二连接光纤8进入到一级多路分路器9或者光开关的输入端，最终经过n级多路分路器或者光开关的输出端射出，并通过第二光纤环形器11的一号端口入射，并由第二光纤环形器11的三号端口进入第二分光镜17中，进入第二分光镜17的光被分成两部分。一部分光被反射进入第二光纤环形器11三号端口。另一部分光由第二自聚焦光纤准直镜18投射到第二反射镜19，经第二反射镜19反射后，这部分光重新耦合入第二自聚焦光纤准直镜18，经由第二分光镜17，入射到第二光纤环形器11三号端口。由第二光纤环形器11三号端口入射的光从第二光纤环形器11二号端口射出并进入光电探测器15，光电探测器15将光信号转化为相应的电信号传给数据采集卡，数据采集卡再将电信号传给计算机。计算机将得到的电信号进行运算后得到第二分光镜17到第二反射镜19的距离。

当土体发生沉降时，桩基式沉降传感器上的沉降环14随土体共同沉降，从而改变了桩基式沉降传感器中第二分光镜17到第二反射镜19的距离。计算机根据该数据调节步进电机7的位置，从而实现对沉降的实时监测。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。