一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置及监测方法

1.本发明涉及沉降监测技术领域，具体涉及一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置及监测方法。


背景技术：

2.工程结构的沉降严重影响相关工程的安全和稳定性，因此沉降幅度的测量和监测极其重要。目前广泛应用的沉降监测方法存在着一些不足，比如监测传感器大多采用电磁信号传感器，存在着信号不稳定，容易受环境电磁设备干扰，导线采用并联传输造成导线冗长繁多，电磁信号精度也较低等缺陷。同时，现有水准仪的测试原理采用的是浮力式测量技术，需要在每个水准仪的测试点加装大体积水罐，而且不能进行实时监测和控制，导致了工程沉降难以实时掌握，从而埋置了工程整体稳定性的隐患。
3.光纤光栅监测传感技术由于具备便捷的串联连接方式，良好的抗电磁干扰性能，监测测量中可以保持高精度和分辨率，远距离传输保证信号完整性等优势，因此被应用于水准仪的测量工作中。但现有的光纤光栅测沉降测量技术仍有待于进一步改进。现有的光纤光栅沉降测量方法采用在一根圆柱杆的周围沿轴向方向等间距的粘贴光纤光栅应变片，然后将安装了应变片的圆柱杆埋置于边坡工程内部或者固定于建筑工程结构上，光纤光栅圆杆与监测结构产生协调变形，从而导致光纤光栅应变片产生拉伸或压缩应变。通过光纤光栅的应变测量结合材料力学理论和理论力学理论可以计算出圆柱杆的压缩或拉伸变化以及结构的沉降变化，进而得到产生协调变形的监测结构位移变化。然而这种方法存在较大缺陷，测量沉降的范围固定而且有限，测量精度受圆杆材料特性影响较大，位移变化数据不精确。
4.综上现有技术有以下不足：(1)水准仪的测试原理采用的是浮力式测量技术，需要在每个水准仪的测试点加装大体积水罐，因此安装步骤和技术要求繁琐，同时监测系统容易受到环境影响，比如振动等；(2)静力水准仪采用液压传感器测量，液压传感器采用的为电磁信号测量模块，测量精度低而且容易收到干扰；(3)由于温度补偿技术的缺乏，现有沉降水准仪不能适应温度变化环境下工作，因此温度对位移沉降导致的误差难以避免；(4)现有的静力水准沉降监测系统不能应用于气压变化比如刮风的工程环境；(5)现有水准仪沉降传感器采用并联的连接方式，不能实现以串联方式同时测量大范围多个沉降数据；(6)现有沉降监测工程中采用水注入通液系统，然而水这种介质存在着易蒸发，易挥发，易冻结等缺点。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置及监测方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.本发明所述一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置包括：至少一组压差式光纤光栅静力水准仪、通液系统和静力水准仪气压平衡系统，每组压差式光纤光栅静力水准
仪包括若干个压差式光纤光栅静力水准沉降仪，每个压差式光纤光栅静力水准沉降仪均包含通液管连接口、气压平衡连接端和光纤信号连接端，压差式光纤光栅静力水准沉降仪通过通液管连接口与通液系统连接，压差式光纤光栅静力水准沉降仪通过气压平衡连接端和光纤信号连接端与静力水准仪气压平衡系统连接。
7.优选地，所述压差式光纤光栅静力水准沉降仪包括静力水准仪固定底座，所述静力水准仪固定底座位于压差式光纤光栅静力水准沉降仪的上部，静力水准仪固定底座中部设有中空卡槽，充液液压腔设于静力水准仪固定底座的下部，光纤光栅液压传感器设于充液液压腔的下部并与充液液压腔相连通；静力水准仪固定底座的一侧设有液压腔排气阀，通液管连接口位于充液液压腔的一侧；气压平衡连接端和光纤信号连接端位于光纤光栅液压传感器的下部。
8.优选地，所述通液系统包括水管控制阀门、充液硅胶管和储液罐，所述每个压差式光纤光栅静力水准沉降仪至少配有一个水管控制阀门，所述每个压差式光纤光栅静力水准沉降仪上的通液管连接口连接有充液硅胶管，所述充液硅胶管上设有用于连接充液硅胶管的充液连接管，储液罐位于充液硅胶管远离若干压差式光纤光栅静力水准仪的一侧，储液罐的一端与充液硅胶管气密连接，所述储液罐下侧设有储液罐安装架，储液罐顶部设有密封盖，储液罐内装有充腔和平衡用液体，所述充腔和平衡用液体上表面覆盖防冷冻防蒸发液。
9.优选地，所述若干压差式光纤光栅静力水准仪包括第一静力水准沉降仪、第二静力水准沉降仪和第三静力水准沉降仪；
10.所述第一静力水准沉降仪通过第一静力水准沉降仪的中空卡槽与第一钻孔和第二钻孔螺纹连接固定，第一静力水准沉降仪所设置的高度由第一静力水准仪水管控制高度点决定,第一静力水准沉降仪的通液管气密连接口充液硅胶管，第一静力水准沉降仪的通液管连接口与第一充液连接管之间还设有第一水管控制阀门，充液硅胶管之间通过第一充液连接管气密连接；
11.所述第二静力水准沉降仪通过第二静力水准沉降仪的中空卡槽与第三钻孔和第四钻孔螺纹连接固定，第二静力水准沉降仪所设置的高度由第二静力水准仪水管控制高度点决定,第二静力水准沉降仪的通液管气密连接口充液硅胶管，第二静力水准沉降仪的通液管连接口与第二充液连接管之间还设有第二水管控制阀门，充液硅胶管之间通过第二充液连接管气密连接；
12.所述第三静力水准沉降仪通过第三静力水准沉降仪的中空卡槽与第五钻孔和第六钻孔螺纹连接固定，第三静力水准沉降仪所设置的高度由第三静力水准仪水管控制高度点决定,第三静力水准沉降仪的通液管气密连接口充液硅胶管，第三静力水准沉降仪的通液管连接口与第三充液连接管之间还设有第三水管控制阀门，充液硅胶管之间通过第三充液连接管气密连接。
13.优选地，所述静力水准仪气压平衡系统包括光纤光栅信号解调仪和气压控制接口，所述第一静力水准沉降仪、第二静力水准沉降仪和第三静力水准沉降仪分别通过各自的光纤信号连接端与光纤光栅信号传输线信号连接，光纤光栅信号传输线与光纤光栅信号解调仪上的光纤光栅信号连接接口信号连接；所述第一静力水准沉降仪、第二静力水准沉降仪和第三静力水准沉降仪分别通过各自的气压平衡连接端与平衡气压管气密连接，平衡
气压管与气压控制接口气密连接；
14.光纤光栅信号解调仪上设有光纤光栅信号显示界面。
15.优选地，所述第一充液连接管为二通连接管，第二充液连接管和第三充液连接管为三通连接管。
16.优选地，光纤光栅液压传感器设有若干个，每一个光纤光栅液压传感器均包含一根测压力光纤光栅和一根测温光纤光栅。
17.一种压差式光纤光栅静力水准沉降监测方法，利用所述压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置进行监测；
18.包括以下步骤：s1：安装一组压差式光纤光栅水准沉降仪；s2：安装通液系统；s3：将压差式光纤光栅水准沉降仪与通液系统连接；s4：利用压差式光纤光栅水准沉降仪等进行沉降监测；s5：对沉降监测的数据进行采集并分析。
19.优选地，所述步骤s1包括第一静力水准仪水管控制高度点、第二静力水准仪水管控制高度点和第三静力水准仪水管控制高度点的高度由水平全站仪测得，第一静力水准沉降仪、第二静力水准沉降仪和第三静力水准沉降仪均通过螺栓穿过各自的中空卡槽固定于钻孔中；
20.所述步骤s2包括将储液罐安装于储液罐安装架上部，将充液硅胶管连接储液罐的底部；
21.所述步骤s3包括先将第一水管控制阀门和第二水管控制阀门先关闭，打开第三水管控制阀门，接着先将充液硅胶管折起直至充腔和平衡用液体注入储液罐到下液位，当充腔和平衡用液体注入储液罐到上液位时，盖上密封盖；还包括检查已安装部件的气密性，观察各接头位置有无液体渗出；
22.所述步骤s4包括通过压差式光纤光栅水准沉降仪上的光纤光栅液压传感器测出监测点的水压力，还包括通过静力水准仪气压平衡系统保证各个压差式光纤光栅水准沉降仪的气压环境一致；
23.所述步骤s5包括首先记录光纤光栅液压传感器中压力光纤光栅的初始波长λ0和温度补偿光纤光栅的初始波长λ
t0
，接着实时记录在压差式光纤光栅水准沉降仪沉降过程中光纤光栅液压传感器中压力光纤光栅的波长λ和温度光纤光栅的波长λ
t
，分别计算出各个位置压力光纤光栅和温度光纤光栅的的波长变化量，还包括：计算压差式光纤光栅水准沉降仪沉降变化δh的具体数值。
24.优选地，检查已安装部件的气密性，观察各接头位置有无液体渗出包括打开各压差式光纤光栅水准沉降仪对应的水管控制阀门，检查充液硅胶管是否有气泡，若存在气泡将充液硅胶管抬起，往前捋并将气泡引至各压差式光纤光栅水准沉降仪对应的水管控制阀门处排除，确定充液硅胶管内无气泡后在各光纤光栅液压传感器安装的墙体上标记液面位置，连接好第一充液连接管、第二充液连接管和第三充液连接管以及第一水管控制阀门、第二水管控制阀门和第三水管控制阀门，接着打开压差式光纤光栅水准沉降仪上的液压腔排气阀，让充腔和平衡用液体流入各个压差式光纤光栅水准沉降仪的充液液压腔内，气泡从液压腔排气阀排出，液体连续排除后关闭液压腔排气阀。
25.本发明所述一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置及监测方法，其优点在于，摒弃传统中采用浮力原理的位移水准沉降仪，无需在测试点加装大体积水罐，采用封闭
式液压传感器测量监测点高程的变化而导致的压力变化，实现抗振动，体积小，便携安装；
26.摒弃传统上使用的电磁信号测量模块，采用光纤光栅液压传感器，测量精度高且不易收到干扰，还可实现高频率的实时监测；
27.光纤光栅液压传感器包含一根测温光纤光栅，测温光纤光栅可用于修正外温变化引起的传感器数据漂移，实质上减少温度变化对监测结果的影响；
28.静力水准仪气压平衡系统可以应用于气压变化的环境中使用，监测过程中不易受到环境影响；
29.光纤光栅沉降传感器的信号为串联的光信号传输方式，可以以串联方式同时测量大范围多个沉降数据；
30.储液罐里的充腔和平衡用液体上覆盖一层防冷冻防蒸发液，避免因为水冻结、挥发和蒸发。
附图说明
31.图1是本发明所述一种压差式光纤光栅静力水准沉降仪结构示意图；
32.图2是通液系统的示意图；
33.图3是压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置的示意图；
34.图4是压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置在监测过程的示意图。
具体实施方式
35.如图1所示，本发明所述一种压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置包括一组压差式光纤光栅静力水准仪，与压差式光纤光栅静力水准仪匹配的通液系统，静力水准仪气压平衡系统，以及用于连接光纤光栅数据监测系统。
36.所述压差式光纤光栅静力水准沉降仪12包括静力水准仪固定底座11，所述静力水准仪固定底座11位于压差式光纤光栅静力水准沉降仪12的上部，静力水准仪固定底座11中部设有中空卡槽13。两个固定螺栓均布于各自压差式光纤光栅静力水准沉降仪12的中空卡槽内部，用于固定压差式光纤光栅静力水准沉降仪12。充液液压腔19设于静力水准仪固定底座11的下部，光纤光栅液压传感器16设于充液液压腔19的下部。所述光纤光栅液压传感器16通过液体渗透通道与充液液压腔19相连。设置若干个光纤光栅液压传感器16串联，可以减少光纤光栅液压传感器16导线的数量和布置保护难度。光纤光栅液压传感器16之间连接采用光纤连接器连接，不但可以根据实际工程的具体要求调整传感器测点的间距，可以便捷的采集监测大范围内的多个沉降数据。每个光纤光栅液压传感器16均包含一根压力光纤光栅和一根温度光纤光栅，光纤光栅液压传感器16由感应膜感应水压变化，传递到压力光纤光栅上，温度光纤光栅对光纤光栅液压传感器16进行温度补偿，修正外温变化引起的传感器数据漂移，不跟随压力变化而改变，可用于不同温度环境下测量数据的修正，排除温度的影响。
37.静力水准仪固定底座11的一侧设有液压腔排气阀14，通液管连接口15位于充液液压腔19的一侧。在后续储液罐27向压差式光纤光栅静力水准沉降仪12中注入液体时，防冷冻防蒸发液29可以通过通液管连接口15直接注入到充液液压腔19内，充满充液液压腔19，在液体开始从液压腔排气阀14向外溢出的时候可以判断，充液液压腔19内液体已满，达到
设备使用要求。
38.气压平衡连接端17和光纤信号连接端18位于光纤光栅液压传感器16的下部。压差式光纤光栅静力水准沉降仪12通过通液管连接口15与通液系统连接，压差式光纤光栅静力水准沉降仪12通过气压平衡连接端17和光纤信号连接端18与静力水准仪气压平衡系统连接。
39.所述通液系统包括水管控制阀门、充液硅胶管23和储液罐27。通液系统在测量时采用液体连通器原理。所述每个压差式光纤光栅静力水准沉降仪12至少配有一个水管控制阀门，所述每个压差式光纤光栅静力水准沉降仪12上的通液管连接口15连接有充液硅胶管23，所述充液硅胶管上设有用于连接充液硅胶管的充液连接管23，储液罐27位于充液硅胶管23远离若干压差式光纤光栅静力水准仪12的一侧，储液罐27的一端与充液硅胶管23气密连接，所述储液罐27下侧设有储液罐安装架210，储液罐27顶部设有密封盖26，储液罐27内装有充腔和平衡用液体25，所述充腔和平衡用液体25上表面覆盖防冷冻防蒸发液29。
40.一组压差式光纤光栅静力水准仪包括若干个压差式光纤光栅静力水准沉降仪。本实施例为三个，为第一静力水准沉降仪31、第二静力水准沉降仪32和第三静力水准沉降仪33。
41.所述第一静力水准沉降仪31通过第一静力水准沉降仪31的中空卡槽与第一钻孔241和第二钻孔242螺纹连接固定，第一静力水准沉降仪31所设置的高度由第一静力水准仪水管控制高度点281决定,第一静力水准沉降仪31的通液管气密连接口充液硅胶管23，第一静力水准沉降仪31的通液管连接口与第一充液连接管221之间还设有第一水管控制阀门211，充液硅胶管23之间通过第一充液连接管221气密连接。
42.所述第二静力水准沉降仪32通过第二静力水准沉降仪32的中空卡槽与第三钻孔243和第四钻孔244螺纹连接固定，第二静力水准沉降仪32所设置的高度由第二静力水准仪水管控制高度点282决定,第二静力水准沉降仪32的通液管气密连接口充液硅胶管23，第二静力水准沉降仪32的通液管连接口与第二充液连接管222之间还设有第二水管控制阀门212，充液硅胶管23之间通过第二充液连接管222气密连接。
43.所述第三静力水准沉降仪33通过第三静力水准沉降仪33的中空卡槽与第五钻孔245和第六钻孔246螺纹连接固定，第三静力水准沉降仪33所设置的高度由第三静力水准仪水管控制高度点283决定,第三静力水准沉降仪33的通液管气密连接口充液硅胶管23，第三静力水准沉降仪33的通液管连接口与第三充液连接管223之间还设有第三水管控制阀门213，充液硅胶管23之间通过第三充液连接管223气密连接。所述第一充液连接管221为二通连接管，第二充液连接管222和第三充液连接管223为三通连接管。
44.所述静力水准仪气压平衡系统包括光纤光栅信号解调仪37和气压控制接口35，所述第一静力水准沉降仪31、第二静力水准沉降仪32和第三静力水准沉降仪33分别通过各自的光纤信号连接端与光纤光栅信号传输线36信号连接，光纤光栅信号传输线36与光纤光栅信号解调仪37上的光纤光栅信号连接接口39信号连接。所述第一静力水准沉降仪31、第二静力水准沉降仪32和第三静力水准沉降仪33分别通过各自的气压平衡连接端与平衡气压管34气密连接，平衡气压管34与气压控制接口35气密连接。光纤光栅信号解调仪37上设有光纤光栅信号显示界面38。
45.利用所述压差式光纤光栅静力水准沉降测量装置进行监测。
46.压差式高精度光纤光栅静力水准沉降监测方法包括以下步骤：s1：安装一组压差式光纤光栅水准沉降仪；s2：安装通液系统；s3：将压差式光纤光栅水准沉降仪与通液系统连接；s4：利用压差式光纤光栅水准沉降仪等进行沉降监测；s5：对沉降监测的数据进行采集并分析。
47.所述步骤s1包括第一静力水准仪水管控制高度点281、第二静力水准仪水管控制高度点282和第三静力水准仪水管控制高度点283的高度由水平全站仪测得，第一静力水准沉降仪31、第二静力水准沉降仪32和第三静力水准沉降仪33均通过螺栓穿过各自的中空卡槽固定于钻孔中。
48.所述步骤s2包括将储液罐27安装于储液罐安装架210上部，将充液硅胶管23连接储液罐27的底部。
49.所述步骤s3包括先将第一水管控制阀门211和第二水管控制阀门212先关闭，打开第三水管控制阀门213，接着先将充液硅胶管23折起直至充腔和平衡用液体25注入储液罐27到下液位，当充腔和平衡用液体25注入储液罐27到上液位时，盖上密封盖26。下液位为离罐底约10厘米处。上液位为离罐顶约10厘米处。
50.还包括检查已安装部件的气密性，观察各接头位置有无液体渗出。打开各压差式光纤光栅水准沉降仪对应的水管控制阀门，检查充液硅胶管23是否有气泡，若存在气泡将充液硅胶管23抬起，往前捋并将气泡引至各压差式光纤光栅水准沉降仪对应的水管控制阀门处排除，确定充液硅胶管23内无气泡后在各光纤光栅液压传感器安装的墙体上标记液面位置，连接好第一充液连接管221、第二充液连接管222和第三充液连接管223以及第一水管控制阀门211、第二水管控制阀门212和第三水管控制阀门213，接着打开压差式光纤光栅水准沉降仪上的液压腔排气阀，让充腔和平衡用液体25流入各个压差式光纤光栅水准沉降仪的充液液压腔内，气泡从液压腔排气阀排出，液体连续排出后关闭液压腔排气阀。
51.所述步骤s4包括通过压差式光纤光栅水准沉降仪上的光纤光栅液压传感器测出监测点的水压力，还包括通过静力水准仪气压平衡系统保证各个压差式光纤光栅水准沉降仪的气压环境一致。
52.所述步骤s5包括首先记录光纤光栅液压传感器中压力光纤光栅的初始波长λ0和温度补偿光纤光栅的初始波长λ
t0
，接着实时记录在压差式光纤光栅水准沉降仪沉降过程中光纤光栅液压传感器中压力光纤光栅的波长λ和温度补偿光纤光栅的波长λ
t
，分别计算出各个位置压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅的的波长变化量。
53.根据得到的数据得到压力光纤光栅的波长变化量与沉降位移变化的数学关系，并可以绘制压力变化与沉降位移变化关系的标定曲线。参照附图4中水平高程参考基线46为基准，压差式光纤光栅水准沉降仪在水平高程参考基线46时为初始位置41。根据压差式光纤光栅水准沉降仪的沉降变化δh分为以下三种情况：当压差式光纤光栅水准沉降仪上升到上升位置42时，δh1》0；当压差式光纤光栅水准沉降仪下降到下降位置43时，δh2《0；当压差式光纤光栅水准沉降仪变化后仍在水平高程参考基线45时，δh3＝0。当储液罐27在工作过程中，仍在水平高程参考基线45时，δh4＝0。
54.同时记录应力光纤光栅和温度光纤光栅的灵敏度，将应力光纤光栅的波长变化值与温度光纤光栅波长变化值的灵敏度做差，可以得到由倾斜导致的应力光纤光栅变化量，从而排除温度因素对测量沉降的影响。
55.还包括：计算压差式光纤光栅水准沉降仪沉降变化δh的具体数值，δh通过以下公式算得：
[0056][0057]
其中，λ为压差式光纤光栅水准沉降仪工作过程中压力光纤光栅的测量波长，
[0058]
λ0为压差式光纤光栅水准沉降仪标定中压力光纤光栅的初始波长，
[0059]
λ
t
为压差式光纤光栅水准沉降仪工作过程中温度光纤光栅的测量波长，
[0060]
λ
t0
为压差式光纤光栅水准沉降仪标定中温度光纤光栅的初始波长，
[0061]kt
为温度比例系数，
[0062]
k为标定试验得到的线性系数。
[0063]
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。