一种串联式光纤光栅沉降监测系统及方法与流程

本公开涉及地层沉降监测领域，特别涉及一种串联式光纤光栅沉降监测系统及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

地层沉降是一种常见地质现象。其地层沉降是一个缓慢、长期演变发展的过程，严重时成为地质灾害，威胁人民生命财产安全和使用。如矿山开采引起的覆岩和地表塌陷、过度地下水开采引起的地层沉陷、城市地下工程引起的基础沉降等；纵观地面沉降地质灾害，长期、连续地进行监测是防治地面沉降最有效也是最根本的措施；而布拉格光纤光栅(fbg)沉降仪具有卓越的组网能力、安全、抗电磁干扰、稳定性高等优点，适用于沉降参数的实时监控。

发明人发现，目前采用光纤光栅沉降仪测定地层沉降的方案，存在较多弊端；比如只能实现基准点和一个待测点之间的测量，当需要测量多个测量点时，需要设置多个基准点，不能共用一个基准点测量多个测量点；当基准点与待测点相距较远时，由于中间蛇形软管可能上下起伏，导致气体被封在密闭腔体里面，使水不能很好地充满整个密闭容器，增加施工和维护难度；当测量环境处于低温环境时，使用的液体水容易结冰，堵塞蛇形管，导致无法监测，且水结冰容易涨破蛇形管，导致液体泄漏，也导致无法测量；另外，目前的沉降监测系统在使用时，多需要保证测量点的传感器在一个水平面上，导致串联的数量不多，长距离多点需要分段进行测量；而且需要通过吊装来调节传感器的水平面，增加了施工和维护成本；难以满足现有对地层沉降的长时间实时监测的需求。

技术实现要素：

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种串联式光纤光栅沉降监测系统及方法，通过在密闭空间尾端留有可开端口，可以很好地排出密闭腔体里的气体，确保液体能充满整个密闭空间，解决了基准点和待测点距离远时的施工难度大和维护成本高的问题；还通过使用耐低温pvc钢丝软管代替蛇形管，增加了串联管道的抗压性、耐磨性和耐低温性；使用带颜色的防冻液代替水，增加了密闭空间的维护性和工程环境适应性。

本公开的第一目的是提供一种串联式光纤光栅沉降监测系统，采用以下技术方案：

包括：液位池，容纳有液体；

基准点沉降仪，与液位池共同布置在基准点位置，内部设有基准腔体和对应的光纤光栅监测机构，光纤光栅监测机构实时监测基准腔体内的液压；

多个待测点沉降仪，分别对应布置在各个待测点位置，每个待测点沉降仪内部均设有待测腔体和对应的光纤光栅监测机构，光纤光栅监测机构实时监测待测腔体内的液压；

光纤光栅解调仪，通过光缆连接所有光纤光栅监测机构；

所述液位池通过管路依次串联连通基准腔体和所有待测腔体，位于最后的一待测腔体的出口处进行封堵，形成末端密封的空腔，液体充满基准腔体、管路和各个待测腔体；

所述光纤光栅解调仪通过获取光纤光栅监测机构的变化数据，实时监测基准点位置和待测点位置的沉降变化。

进一步地，所述液位池内容纳的液体为带有颜色的防冻液，液位池内液体的液面的水平高度高于管路、基准点沉降仪、待测点沉降仪，用于使液体充满整个空腔。

进一步地，所述基准点沉降仪和液位池共同安装在不随待测点发生沉降的固定基座上，用于使基准腔体内的液压做基准点判断待测点是否发生沉降。

进一步地，所述基准点沉降仪和待测点沉降仪内均设有对应的光纤光栅监测机构，在待测腔体和基准腔体内的液压发生变化时，光纤光栅监测机构获取该液压变化并发送至光纤光栅解调仪。

进一步地，所述待测腔体设有入口和出口，一待测腔体的入口通过管路连通上一待测腔体的出口，出口通过管路连通下一待测腔体的入口，依次形成串联结构。

进一步地，串联结构最后一个待测腔体的出口处配合有堵头，堵头配合管路、基准腔体、待测腔体共同构成一端开口的空腔，用于排出空腔内的空气并封堵串联结构的末端，空腔的开口处与液位池连通。

本公开的第二目的是提供一种沉降监测方法，利用如上所述的串联式光纤光栅沉降监测系统，包括以下步骤：

在基准点安装液位池、基准点沉降仪，在所有待测点分别安装待测点沉降仪；

通过管路将液位池、基准腔体、所有待测腔体依次串联连通，并在液位池内倒入液体，使液位充满管路、基准腔体和待测腔体；

静置后通过光纤光栅解调仪测得所有沉降仪对应的光纤光栅监测机构的波长，并作为标定数据，计算各个待测点相对于基准点的液位深度；

标定后，通过光纤光栅解调仪实时测量所有沉降仪对应的光纤光栅监测机构的波长，从而获取各个待测点的实时沉降量。

进一步地，在布置管路前，先通过光缆将所有光纤光栅监测机构接入光纤光栅解调仪，并在未通入液体时，分别测得所有沉降仪对应的光纤光栅监测机构的波长，作为光纤光栅监测机构的初始波长数据。

进一步地，在布置管路后，液位池内的液体逐渐充填空腔，待空腔内空气排净、液体充满整个腔体后，封堵腔体末端。

进一步地，液位池内的液面高度高于管路、基准点沉降仪、待测点沉降仪。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)通过管路将液位池、基准点沉降仪、待测点沉降仪依次形成串联，从而连通液位池、基准腔体和待测腔体，并配合堵头形成密闭空腔，使得液体充满整个空腔，从而保证液压传递的流畅性；

实现所有待测点共用一个基准液面进行沉降量的串联远距离测量，以基准点沉降仪的液压值作为基准值，通过比对待测点的液压值与基准值的液压值，获取沉降量，实现多点待测位置的沉降测量，安装更为简单，减少了施工成本和维护成本，提高了工程应用的实用性；

(2)所述液位池内储存带有颜色的防冻液，在排查残留气泡和泄露点时，能够使防冻液与外界环境、管路产生明显色差，提高辨识度，从而提高排查效率；液位池与基准点沉降仪一起固定在不随待测点发生沉降的固定基座上，同时确保液位池内的防冻液的液面高于管路、基准点沉降仪和待测点沉降仪，使得防冻液始终充满整个密封腔体；避免腔体内残留液体影响测量的精度；

(3)耐低温pvc钢丝软管相较于普通管子具有耐磨、耐低温、抗压性强等优点，在处于恶劣的监测环境时，能够减少破裂和受挤压堵塞的风险；保证整个系统稳定运行。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中沉降监测系统的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中沉降仪的内部结构示意图；

图3为本公开实施例1、2中沉降仪的外观结构示意图。

图中，1、不锈钢套管，2、开槽毛细管，3、应力光纤光栅，4、温补光纤光栅，5、金属膜片，6、进液口，7、出液口，8、固定孔，9、底座，10、封盖，

11、光缆，12、通气孔，13、外壳，14、光纤光栅解调仪，15、液位池，16、基准点沉降仪，17、管路，18、待测点沉降仪，19、堵头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中的地层沉降监测设备只能实现基准点和一个待测点之间的测量，当需要测量多个测量点时，需要设置多个基准点，不能共用一个基准点测量多个测量点；当基准点与待测点相距较远时，由于中间蛇形软管可能上下起伏，导致气体被封在密闭腔体里面，使水不能很好地充满整个密闭容器，增加施工和维护难度等；针对上述问题，本公开提出了一种串联式光纤光栅沉降监测系统及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种串联式光纤光栅沉降监测系统。

如图1所示，其包括液位池15、基准点沉降仪16、待测点沉降仪18、管路18、堵头19、光缆11和光纤光栅解调仪14；

基准点沉降仪内部设有基准腔体，所述基准腔体设有入口和出口，待测点沉降仪内部设有测试腔体，所述测试腔体设有对应的入口和出口，待测点沉降仪内部和基准点沉降仪内部均设有光纤光栅监测机构，分别实时监测基准腔体内的液压和测试腔体内的液压；

液位池通过管路依次串联基准点沉降仪和多个待测点沉降仪，使得液位池内的液体充满各个管路、基准腔体及各个测试腔体，在液体充满所有管路、基准腔体和测试腔体后，远离液位池的末端待测点沉降仪的出口处采用堵头封堵；

所有的光纤光栅监测机构均与光纤光栅解调仪电联，当待测点沉降仪的高度相对于基准点沉降仪的高度发生变化时，待测腔体内的液压也会对应发生变化，利用光纤光栅监测机构获取此液压变化，并依据各个腔体内液压变化反推其高度变化，从而测得待测点处的沉降量。

通过管路将液位池、基准点沉降仪、待测点沉降仪依次形成串联，从而连通液位池、基准腔体和待测腔体，并配合堵头形成密闭空腔，使得液体充满整个空腔，所有待测点共用一个基准液面进行沉降量的串联远距离测量，以基准点沉降仪的液压值作为基准值，通过比对待测点的液压值与基准值的液压值，获取沉降量，实现多点待测位置的沉降测量，安装更为简单，减少了施工成本和维护成本，提高了工程应用的实用性。

具体的，所述液位池内储存带有颜色的防冻液；液位池与基准点沉降仪一起固定在不随待测点发生沉降的固定基座上，同时确保液位池内的防冻液的液面高于管路、基准点沉降仪和待测点沉降仪，使得防冻液始终充满整个密封腔体；避免腔体内残留液体影响测量的精度；

在本实施例中，选用长宽高为40cm×40cm×80cm的水槽作为液位池，并保持防冻液的液面高于30cm处。

基准点沉降仪主要用于测量固定基座上的液压值；基准点沉降仪与液位池一起固定在不随待测点发生沉降的固定基座上，基准点沉降仪测得的液压值用于当做基准点来判断待测点是否发生沉降；

可以理解的是，基准点沉降仪内部的基准腔体的入口与液位池连通，出口通过管路依次串联各个待测点沉降仪对应的待测腔体，形成液体的通路，保证防冻液的顺利连通。

待测点沉降仪主要用于测量待测点处相对于基准位置处的液压值；待测点沉降仪固定在待测点位置，若待测点发生沉降则随待测点共同沉降；待测点有多个，同样对应配置多个待测点沉降仪，并通过管路依次串联，从而实现多个待测点共用一个基准点进行沉降值测量；

可以理解的是，待测点沉降仪对应的待测腔体的入口与上一待测腔体的出口通过管路连通，待测腔体的出口与下一待测腔体的入口连通，从而依次实现串联，位于最靠近基准点沉降仪的待测腔体的入口与待测腔体的出口连通。

管路主要用于连通沉降仪和液位池，使其形成连通关系；在本实施例中采用耐低温pvc钢丝软管，通过耐低温pvc钢丝软管依次将液位池、基准点沉降仪、待测点沉降仪连通；基准腔体、待测腔体、耐低温pvc钢丝软管内部配合堵头共同形成一个腔体；

可以理解的是，耐低温pvc钢丝软管相较于普通管子具有耐磨、耐低温、抗压性强等优点，在处于恶劣的监测环境时，能够减少破裂和受挤压堵塞的风险；保证整个系统稳定运行；

在本实施例中，所述耐低温pvc钢丝软管的内径为20mm，外径为28mm。

密封堵头主要用于堵住串联结构中最后一个待测点沉降仪内部待测空腔的出口，与耐低温pvc钢丝软管、待测点沉降仪、基准点沉降仪一起构成密闭腔体；

在使用时，需要向串联结构内注入带有颜色的防冻液，打开位于串联结构末端的堵头，防冻液顺着管路逐渐充填各个空腔，在充填空腔的过程中，密封腔体内的气体被排出，避免了气体的残留，防止气体被挤压在空腔内部，导致带颜色的防冻液无法充满整个腔体；保证防冻液充满整个腔体，提高监测的精度；

在本实施例中，选用直径为20mm的内螺纹不锈钢密封堵头。

采用设有入口和出口的待测腔体和基准腔体，在串联后注入防冻液，排空空腔内的气体，使得防冻液充填整个腔体，实现了基准点和待测点远距离关联，实现远距离测量；

通过末端开口排出气体，能够使液体充满几百米到几公里的整个密闭腔体，从而实现液压的连续传递和相互关联。

所述光纤光栅监测机构与光纤光栅解调仪通过光缆连接，所述的光缆采用铠装光缆，光纤光栅解调仪通过铠装光纤连接基准点沉降仪和待测点沉降仪对应的光纤光栅监测机构，实现光路连通进行光纤光栅信号解调；

可以理解的是，对于光纤光栅监测机构与光纤光栅解调仪的连接方式不限于串联，可以根据实际情况而定，能够实现光信号的连通进行光纤光栅信号的解调即可；

在本实施例中个，通过串联的方式实现光路连通，光缆使用直径为7mm的室外光缆。

光纤光栅解调仪主要用于光路上光纤光栅信号的解调，根据光纤光栅信号的变化计算出液压的变化，从而计算出需要测量的沉降值；光纤光栅解调仪的具体参数根据实际情况确定即可。

需要特别指出的是，在本实施例中采用的基准点沉降仪和待测点沉降仪的结构相同，其主要包括不锈钢套管1、开槽毛细管2、应力光纤光栅3、温补光纤光栅4、金属膜片5、进液口6、出液口7、固定孔8、底座9、封盖10、铠装光缆11、通气孔12和外壳13；

如图2和图3所示：

具体的，不锈钢套管主要用于固定铠装光缆与封盖的连接，并将带有光纤光栅的裸线部分导入沉降仪里面；

在本实施例中，使用直径15mm长25mm的不锈钢套管，使用环氧树脂353nd进行固定。

开槽毛细管主要用于连接应力光纤光栅与金属膜片，将金属膜片受到的液压力传递到应力光纤光栅上；本发明使用直径2mm长15mm的开槽毛细管焊接在金属膜片的中央，形成中央硬心，固定时使用环氧树脂胶353nd。

应力光纤光栅主要用于测量金属膜片受到的液压力，从而实现沉降量的实时测量；测量时应力光纤光栅始终保持在受力状态，当金属膜片受到的液压力发生变化时，应力光纤光栅的受力状态也会发生变化。

在本实施例中，应力光纤光栅选用光纤布拉格光栅。

温补光纤光栅主要用于对应力光纤光栅进行温度补偿，确保测试数据结果不受温度变化的影响；测量时温补光纤光栅始终处于无应力状态。

金属膜片主要用于测量液压力，当膜片受到的液压力发生变化时，金属膜片受到的应力和形变量也会发生变化，并通过开槽毛细管传递到应力光纤光栅上；

在本实施例中，使用直径30mm厚0.2mm的铍铜片作为金属膜片，金属膜片与外壳连接处使用激光密封焊接。

进液口主要用于连接耐低温pvc钢丝软管，形成密闭腔体，使液体进入沉降仪里；即对应上述的待测腔体和基准腔体的入口；

在本实施例中，连接处使用不锈钢扎带和环氧树脂胶353nd进行固定、密封处理，确保不开脱和密封性。

出液口主要用于连接耐低温pvc钢丝软管，使液体流出沉降仪，或用于连接密封堵头，形成密闭腔体；即对应上述的待测腔体和基准腔体的出口；

在本实施例中，连接处使用不锈钢扎带和环氧树脂胶353nd进行固定、密封处理，确保不开脱和密封性。

固定孔主要用于将沉降仪的底座固定在待测点或基座上，起固定连接作用；在本实施例中，固定孔的规格为m5。

底座主要用于连接沉降仪和待测点或基座；

在本实施例中，使用直径10cm厚8mm的圆形不锈钢作为底座。

封盖主要用于固定不锈钢套管和连接外壳，保护沉降仪的内部结构；

在本实施例中个，使用环氧树脂胶353nd进行固定封装。

铠装光缆主要用于连接沉降仪里面的光纤光栅，确保光路畅通；

在本实施例中，铠装光缆使用直径7mm的室外光缆。

通气孔主要用于连通大气与沉降仪内部，使沉降仪内部气压保持和外部大气压力一致，消除因大气压力变化导致的测量误差；

在本实施例中通气孔直径为2mm。

外壳主要用于连接金属膜片和封盖，形成一个整体并保护内部结构；

在本实施例中，使用内径3cm外径5cm长1cm的不锈钢外壳。

通过增加通气孔、温补光纤光栅，保持传感器在不同气压和温度环境时测量的准确性，同时通过新的结构将液压作用于膜片的形变量直接作用于应力光纤光栅，增加了传感器灵敏度和量程，实现大量程、高精度测量。

实施例2

本公开的另一典型实施例中，如图1-图3所示提供一种沉降监测方法，利用如实施例1所述的串联式光纤光栅沉降监测系统。

安装好液位池和沉降仪。连接好光路，并通过光纤光栅解调仪测得未通入液体时，所有沉降仪的应力光纤光栅和温补光纤光栅的波长。

通过耐低温pvc钢丝软管连接好液位池和所有沉降仪，并将带颜色的防冻液倒入液位池；在本实施例中，并保持液位池的液面高于30cm；

旋开最末端的密封堵头用于排出空气，待防冻液充满整个腔体时再重新旋紧密封堵头，静置1小时后，通过光纤光栅解调仪测得所有沉降仪的应力光纤光栅和温补光纤光栅的波长作为标定数据；通过公式计算各个点的液位深度；

标定后通过光纤光栅解调仪实时测量所有沉降仪的应力光纤光栅和温补光纤光栅的波长，通过公式算得各个待测点的实时沉降量。

在本实施例中采用的光纤布拉格光栅是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。

在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。布拉格波长λb由下式决定：

λb＝2neffλ(1-1)

式中：neff为激光在光纤内传播的有效折射率；λ为布拉格光栅的周期。λb是λ和neff的函数。

当fbg不受外力场的影响和环境温度变化△t时，λb发生漂移，其漂移量与温度变化的关系可写成

△λb＝λb(α+ζ)△t(1-2)

式中：α为fbg材料的热膨胀系数；ζ为fbg材料的热光系数；△t为温度变化量。

当环境温度恒定时，fbg受外力场的作用，λb发生漂移，漂移量为

△λ＝λb(1-pe)△ε(1-3)

式中：△ε为应力变化量；pe＝neff²[p2-μ(p1+p2)]/2，表示fbg材料的有效弹光系数，其中p1和p2为fbg材料的弹光系数；μ为fbg材料的泊松比。

当应变和温度同时作用在fbg上时，λb发生漂移，漂移量为

△λ＝λb(1-pe)△ε+λb(α+ζ)△t(1-4)

在本实施例中，实际测量时，由光纤光栅解调仪测得的波长可算得沉降仪的液位深度，沉降仪的液位深度与测得的光纤光栅波长的关系式为：

h＝((λ-λ0)-(λt-λt0)*kt)/k(2-1)

其中λ为沉降仪通入液体后应力光纤光栅的波长；λ0为沉降仪未有液体通入时应力光纤光栅的波长；λt为沉降仪通入液体后温补光纤光栅的波长；λt0为沉降仪未有液体通入时温补光纤光栅的波长；kt是消除光纤光栅温度交叉敏感影响的补偿因子，为固定值；k为液压灵敏度系数，为固定值；h为液位深度。

测试沉降量时，要先给所有沉降仪进行标定测试，即默认标定测试时，待测点均未发生沉降；标定测试后再进行沉降量的实时测量，液位深度与沉降量的关系式为

s＝(hx-h)-(hx0-h0)(2-2)

其中s为沉降量；hx为标定测试后待测点沉降仪测得的液位深度；h为标定测试后基准点沉降仪测得的液位深度；hx0为标定测试时待测点沉降仪测得的液位深度；h0为标定测试时基准点沉降仪测得的液位深度。

具体的，当待测点沉降仪下沉1cm时，由光纤光栅解调仪测得待测点沉降仪中应力光纤光栅的波长变化量为30pm，温补光纤光栅不变，通过公式(2-1)可求得待测点沉降仪发生沉降后的液位深度，将标定的数据与求得的待测点沉降仪液位深度代入公式(2-2)，可求得待测点沉降量为1cm；经验证，系统测量值也实际沉降量保持一致。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。