基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法与流程

本发明涉及裂缝变形监测，尤其是涉及基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法。

背景技术：

1、混凝土裂缝和结构缝多存在于各类水工建筑物、防渗墙、隧道，边坡支护结构中，以隧道衬砌变形监测为例，叙述裂缝变形监测双向位移计的技术方法。为了满足隧道安全开挖的需求，隧道衬砌变形分析与监测技术的研究已经成为土木工程领域重要课题之一。可靠有效的监测技术是隧道安全施工的保证，也是进行信息化设计与施工的前提。

2、目前裂缝变形监测的主要方法有人工观察法和差阻式、振弦式测缝计法，人工观察法误差较大而且费时费力，不适用于精细化变形监测需求。振弦式测缝计的工作原理是当被测结构物发生变形时将会带动测缝计变化，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的振动频率，可测出被测结构物的变形。不管是差阻式或振弦式测缝计，都是电参数类传感器，在易燃易爆等极端环境下并不适用，而且测缝计只能监测单向变形，如需双向监测就得安装多只测缝计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法，以解决现有技术中现有裂缝变形监测只能检测一维变形且无法实时监测的技术问题。

2、本发明提供基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，包括双向位移计和数据处理单元；

3、所述双向位移计包括横向位移计和竖向位移计，所述横向位移计和所述纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝处，所述横向位移计和所述纵向位移计分别用于监测待监测裂缝的横向和纵向变形；

4、在所述双向位移计和数据处理单元之间连接有数据采集单元，所述数据采集单元接收自所述数据处理单元发出的指令后采集经过所述横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，所述数据处理单元接收自所述数据采集单元发送的数据并将波长变化量转化为位移值。

5、进一步地，所述横向位移计包括第一单向光纤光栅位移计和横向定位钢板，所述竖向位移计包括第二单向光纤光栅位移计和竖向定位钢板；

6、第一单向光纤光栅位移计和所述第二单向光纤光栅位移计以90度夹角布设并固定在待监测裂缝处，所述第一单向光纤光栅位移计和所述第二单向光纤光栅位移计均设置有伸缩测量杆，所述横向定位钢板和所述竖向定位钢板分别与其对应的所述伸缩测量杆滑动接触。

7、进一步地，所述数据采集单元包括fbg解调仪和铠装光纤，所述铠装光纤设置有两根，两根所述铠装光纤的一端分别与所述横向位移计以及所述竖向位移计一对一地连接，所述铠装光纤的通过复用技术合二为一并与fbg解调仪连接，所述fbg解调仪通过数据线与所述数据处理系统连接。

8、本发明还提供了一种利用上述双向位移装置进行裂缝变形监测的方法，包括如下步骤：

9、s1、针对每一个待监测裂缝，选择安装位置并做好记号；

10、s2、将双向位移计固定在直线段的一侧，以使得横向位移计和纵向位移计之间具有90度夹角；

11、s3、安装两块定位钢板，以使得所述横向位移计和纵向位移计的尾端一对一地与定位钢板连接；

12、s4、重复s1-s3直至所有的待监测裂缝双向位移计均安装完成后，采用多芯通讯光缆将所有双向位移计集中引入监测室并接入数据采集单元和数据处理单元进行测试；

13、s5、通过数据采集单元采集横向位移计和纵向位移计的光波波长变化量并发送至数据处理单元，数据处理单元解译后获得双向位移计所在直线段的获横向位移值和纵向位移值，并根据勾股定理计算出宽度方向的位移值

14、进一步地，在s2之前，还包括对定位钢板表面进行喷砂除锈，其中，除锈等级不低于sa2.5级，喷砂除锈后的表面粗糙度为40～70μm

15、进一步地，在s4中，还包括每两个直线段共用一个集成线路位置，每间隔两个直线段预留用于存放光纤接续盒以及冗余的光纤引线的接线槽。

16、进一步地，在s5中，还包括，基于横向位移值和纵向位移值，根据勾股定理计算出待监测裂缝宽度方向的位移值。

17、进一步地，在s5中，还包括，在数据处理单元中设定临界阈值，当横向位移值或者纵向位移值超过临界阈值时发出预警信息。

18、进一步地，在s2中，竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装竖向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的50％。

19、进一步地，在s2中，横竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装横向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的80％。

20、与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

21、(1)本发明采用一套传感器实现双向位移监测，能够实时监测裂缝的轴向拉伸和竖向差异沉降，相比传统方式只能测试一个方向裂缝宽度变化，本发明能够同时测量x，y两个方向的位移量dx和dy，根据勾股定理计算出裂缝真实位移量dc。

22、(2)一纤多用，有效解决了单根位移计线路冗杂繁多的问题。

23、(3)利用光纤传感技术，能够应用于复杂环境下的裂缝变形监测。检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，安全，实现对裂缝的高精度、无干扰测量。

24、(4)实现了对裂缝宽度和变化方向的实时监测，可以根据裂缝的二维变化进一步分析结构受力方向。裂缝发育最快，位移最大的方向往往就是拉应力主轴方向，也是拉应力最大的方向。裂缝位移监测结合应力分析为支护体系设计人员提供有效的量化参考数据，为科学、合理地设计各种支护体系打下了坚实基础。

25、(5)在裂缝发展初期，较难判断裂缝的真实走向，单向位移计的布设出现偏差时，测的真实裂缝跨度往往偏小，另一方面，双向位移计的精度高，可以在一定程度上辨别裂缝的方向。

技术特征：

1.基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，包括双向位移计(102)和数据处理单元(110)；

2.根据权利要求1所述的基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，所述横向位移计包括第一单向光纤光栅位移计(106)和横向定位钢板(108)，所述竖向位移计包括第二单向光纤光栅位移计(107)和竖向定位钢板(104)；

3.根据权利要求1所述的基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置，其特征在于，所述数据采集单元(109)包括fbg解调仪和铠装光纤(101)，所述铠装光纤(101)设置有两根，两根所述铠装光纤(101)的一端分别与所述横向位移计以及所述竖向位移计一对一地连接，所述铠装光纤(101)通过复用技术合二为一并与fbg解调仪连接，所述fbg解调仪通过数据线与所述数据处理系统连接。

4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的双向位移装置进行裂缝变形监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在s2之前，还包括对定位钢板表面进行喷砂除锈，其中，除锈等级不低于sa2.5级，喷砂除锈后的表面粗糙度为40～70μm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在s4中，还包括每两个直线段共用一个集成线路位置，每间隔两个直线段预留用于存放光纤接续盒以及冗余的光纤引线的接线槽。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在s5中，还包括，基于横向位移值和纵向位移值，根据勾股定理计算出待监测裂缝(105)宽度方向的位移值。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在s5中，还包括，在数据处理单元(110)中设定临界阈值，当横向位移值或者纵向位移值超过临界阈值时发出预警信息。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在，在s2中，竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装竖向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的50％。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在s2中，横竖向位移计的测量端设置为伸缩测量杆，在安装横向位移计前，压缩伸缩测量杆直至其满量程的80％。

技术总结
本发明公开了基于光纤感测技术裂缝变形监测的双向位移装置及方法，涉及技裂缝监测技术领域，包括双向位移计和数据处理单元；双向位移计包括横向位移计和竖向位移计，横向位移计和纵向位移计组合形成90度夹角并布设在待监测裂缝处，横向位移计和纵向位移计分别用于监测待监测裂缝的横向和纵向变形；在双向位移计和数据处理单元之间连接有数据采集单元，数据采集单元接收自数据处理单元发出的指令后采集经过横向位移计和纵向位移计的光波波长并发出，数据处理单元接收自数据采集单元发送的数据并将波长变化量转化为位移值，该位移装置能够监测二维方向的裂缝变形，适用于各种极端环境下掌握裂缝变形的大小和方向并实现实时精准监测。

技术研发人员：苏伟,叶少敏,赵青,孙一鸣,孟庆余,李彬,霍思逊,段忠辉,张文轩,孙向阳,陈明银
受保护的技术使用者：中国铁路设计集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15