基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪及沉降测定方法与流程

本发明涉及，尤其涉及一种基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪及沉降测定方法。

背景技术：

1、光纤光栅传感技术是利用光栅在外界因素影响下发生波长漂移，实现准分布传感和测量的技术。作为一种新型的无源传感元件，光纤光栅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、高可靠性高测量精度以及很强的串联组网能力等优点。因此光纤光栅传感器在电力系统、自然资源开采以及水利工程中发挥着重要作用。

2、桥梁、隧道、堤坝等工程结构在受到外界因素或自然条件影响时，可能会发生变形现象。其中，竖直方向上的挠度变化是一个重要的指标，它反映了结构在竖直方向上受力分布的不均衡情况。这种变化可能对工程结构的安全性和可靠性造成不利影响。

3、为了监测结构在竖直方向上的位移，目前主要采用静力水准仪。静力水准仪由液缸、浮筒、敏感器等组成，可以用来测量参考点与测试点之间在竖直方向上的相对位移。传统的静力水准仪采用了称重式、电容式和压力式等电子传感器，但在某些情况下，由于抗电磁干扰能力差、长期稳定性差、信号传输距离受限等问题，使用受到限制。

4、为了克服这些问题，光纤光栅静力水准仪应运而生。这种技术利用了光纤光栅传感器，通过浮筒式的设计，使浮筒通过定滑轮传递力并改变方向。当浮筒上的金属片被拉伸时，附着在其上的光栅的波长会发生变化，从而可以检测液面的变化。虽然这种方法在一定程度上解决了问题，但定滑轮机构的摩擦会影响测量的精度和重复性。同时，由于未进行温度补偿，温度变化可能会对测量结果造成较大影响。

5、另一种光纤光栅静力水准仪采用了浮筒式双光栅结构。在这种设计中，浮筒通过浮力作用于等强度梁，而梁上粘贴的光栅会在应变变化时发生变化，进而引起波长的漂移。这种双光栅结构具有温度补偿功能，可以一定程度上减少温度变化对测量结果的影响。然而，由于等强度梁材料的局限性，其应变变化受到限制，因此波长变化幅度有限，导致了测量灵敏度的不高，同时若上腔在测定的过程中发生倾斜，温度补偿就会受到相当大的影响。

技术实现思路

1、本发明主要目的在于提供一种结构简单、灵敏度高，且可以进行温度补偿，并能够确定倾斜的方向的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪及沉降测定方法。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、提供一种基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，包括多个结构相同且串联的光纤光栅静力水准结构，其中每个光纤光栅静力水准结构的上腔中包括两个呈星状交叉、且等强度的水平梁；每个水平梁的两侧对称设置两个光纤光栅，其中一个光纤光栅置于水平梁的上表面，另一个光纤光栅置于水平梁的下表面；四个光纤光栅距离星状交叉点的距离相同。

4、接上述技术方案，置于水平梁的上表面的光纤光栅为应变光栅，置于水平梁的下表面的光纤光栅为温度光栅，两者中心波长不同；或者反之。

5、接上述技术方案，每个光纤光栅静力水准结构的下腔中均设有浮筒，浮筒下表面呈凸起状，浮筒上表面通过固定件与上腔的两个水平梁的星状交叉点连接，且下腔外表面沿竖直方向固定液位指示线。

6、接上述技术方案，多个光纤光栅静力水准结构的上腔通过通气阀连通，下腔通过通液阀连通。

7、接上述技术方案，光纤光栅静力水准结构的通液阀通过输液管与相邻光纤光栅静力水准结构的下腔连通；通气阀通过导气管与相邻光纤光栅静力水准结构的上腔连通。

8、接上述技术方案，两个呈星状交叉、且等强度的水平梁为一体化结构。

9、接上述技术方案，每根水平梁的两侧宽度大于中间宽度。

10、本发明还提供一种基于上述技术方案所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪的沉降测定方法，包括以下步骤：

11、根据获取的四个光纤光栅的波长计算波长变化量，分别计算同一等强度水平梁上两个光纤光栅波长变化量的比值，作为该等强度水平梁方向上的温度补偿系数k，并根据该温度补偿系数的值确定倾斜方向；

12、选取倾斜方向上的一对光纤光栅，根据该对光纤光栅的波长变化量及预先计算的沉降系数计算在竖直方向上的沉降。

13、接上述技术方案，在竖直方向上的沉降计算公式如下所示：

14、

15、上式中，l为沉降值，λ1为第一光纤光栅的波长，λ10为第一光纤光栅的初始波长，λ2为第二光纤光栅的波长，λ20为第二光纤光栅的初始波长，k为温度补偿系数，kε1为第一沉降系数，kε2为第二沉降系数，kε1和kε2的大小在实际使用前进行实验标定。

16、接上述技术方案，置于其上的西侧光纤光栅的波长变化量为δλ1，东侧光纤光栅的波长变化量为δλ2；另一根为南北方向，北侧光纤光栅的波长变化量为δλ3，东侧光纤光栅的波长变化量为δλ4，则：

17、

18、

19、若k1＝k2＝1，则未发生倾斜；

20、若k1＝1，k2≠1，则南北方向发生倾斜，选取南北方向水平梁上的一对光纤光栅参与沉降计算；

21、若k1≠1，k2＝1，则东西方向发生倾斜，选取东西方向水平梁上的一对光纤光栅参与沉降计算；

22、若k1＞k2＞1，则西北偏西方向发生倾斜，选取东西方向水平梁上的一对光纤光栅参与沉降计算；

23、若k2＞k1＞1，则西北偏北方向发生倾斜，选取南北方向水平梁上的一对光纤光栅参与沉降计算；其余方向同理。

24、本发明产生的有益效果是：本发明采用星交形架构的光纤光栅，两对光栅分布在四个方向，即使在发生倾斜的时候也能实现温度补偿功能，而且能够根据计算的温度补偿系数的值确定倾斜方向，进一步地可以计算出各个测点的沉降情况；此外，本发明的光纤光栅静力水准仪的星状交叉创新结构使其具有测量精度高、安全可靠、耐腐蚀等优点，并可方便的与其他类型光纤光栅传感器组网使用。

25、进一步地，水平梁上设置了温度和应变两种光纤光栅，实现了应变测量和温度测量的一体化；且可以同时获取结构物体的变形信息和温度分布信息，从而更全面地了解结构的状态；测量准确性提高，通过测量温度可以更准确地校正应变数据，提高整体测量的准确性；节省成本和空间，使用一体化的传感系统可以节省安装和维护的成本，同时减少对结构的影响，而且只需安装一个设备而不是分别安装应变和温度传感器，可以节省空间。

26、进一步地，每根水平梁的两侧宽度大于中间宽度，这种结构有助于在整个梁的长度上均匀分布载荷，防止局部强度不足的情况，确保梁在整个结构中具有均匀的强度，可以提高整体结构的稳定性和安全性，同时也可以使结构设计和分析更加简化，减少了复杂性。

27、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，包括多个结构相同且串联的光纤光栅静力水准结构，其中每个光纤光栅静力水准结构的上腔中包括两个呈星状交叉、且等强度的水平梁；每个水平梁的两侧对称设置两个光纤光栅，其中一个光纤光栅置于水平梁的上表面，另一个光纤光栅置于水平梁的下表面；四个光纤光栅距离星状交叉点的距离相同。

2.根据权利要求1所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，置于水平梁的上表面的光纤光栅为应变光栅，置于水平梁的下表面的光纤光栅为温度光栅，两者中心波长不同；或者反之。

3.根据权利要求1所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，每个光纤光栅静力水准结构的下腔中均设有浮筒，浮筒下表面呈凸起状，浮筒上表面通过固定件与上腔的两个水平梁的星状交叉点连接，且下腔外表面沿竖直方向固定液位指示线。

4.根据权利要求1所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，多个光纤光栅静力水准结构的上腔通过通气阀连通，下腔通过通液阀连通。

5.根据权利要求3所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，光纤光栅静力水准结构的通液阀通过输液管与相邻光纤光栅静力水准结构的下腔连通；通气阀通过导气管与相邻光纤光栅静力水准结构的上腔连通。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，两个呈星状交叉、且等强度的水平梁为一体化结构。

7.根据权利要求6所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，其特征在于，每根水平梁的两侧宽度大于中间宽度。

8.一种基于权利要求1所述的基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪的沉降测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的沉降测定方法，其特征在于，在竖直方向上的沉降计算公式如下所示：

10.根据权利要求8所述的沉降测定方法，其特征在于，若一根水平梁的方向为东西方向，置于其上的西侧光纤光栅的波长变化量为δλ1，东侧光纤光栅的波长变化量为δλ2；另一根为南北方向，北侧光纤光栅的波长变化量为δλ3，东侧光纤光栅的波长变化量为δλ4，则：

技术总结
本发明公开了一种基于星交架结构的光纤光栅静力水准仪，包括多个结构相同且串联的光纤光栅静力水准结构，其中每个光纤光栅静力水准结构的上腔中包括两个呈星状交叉、且等强度的水平梁；每个水平梁的两侧对称设置两个光纤光栅，其中一个光纤光栅置于水平梁的上表面，另一个光纤光栅置于水平梁的下表面；四个光纤光栅距离星状交叉点的距离相同。本发明采用星交形架构的光纤光栅，两对光栅分布在四个方向，即使在发生倾斜的时候也能实现温度补偿功能，而且能够根据计算的温度补偿系数的值确定倾斜方向，进一步地可以计算出各个测点的沉降情况。

技术研发人员：王霄,朱悦林,罗新飞,王宁,肖卓君,徐石
受保护的技术使用者：浙江静远电力实业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29