一种基于光纤应变的沉降检测装置的制作方法

本技术涉及土木工程检测设备，特别地涉及一种沉降检测装置。

背景技术：

1、随着生态文明理念在现实城市治理进程中的发展，顶管施工隧道、管道成为海绵城市更新工程的重要方式。其中埋深大、地质复杂、施工隐蔽性、沉降控制难度大成为顶管施工的突出性问题，因此加大对顶管施工管后岩层土体的竖向沉降控制是有必要的。

2、目前沉降检测中多采用超声波传感器来实现对岩层土体沉降的检测，例如公告号为cn213956350u的中国专利文件公开了一种建筑工程检测用沉降观测装置，其通过在探测井内设置超声波传感器以及带动该超声波传感器位移的杆组和电机系统来实现对岩层土体的沉降信息的观测，其在一定程度上可以较为精确的获得岩层和土体的沉降数据。

3、但是，上述沉降观测装置由多个较为精密的组件组装配合而成，需要中心柱、连接杆、推进块、连接套筒、内环、外环和深沟球轴承等部件的之间的相互滑动配合才能实现功能。而在探测井中，细小的土体或石块的崩裂滚落的情况时有发生，其侵入上述机械部件的滑动连接处时，可能会导致结构卡死的问题发生，轻则影响超声波传感器的数据采集准确度，重则导致整个沉降观测装置的功能失效；此外上述沉降观测装置需要人工调整超声波传感器的位置，耗费人力且降低了效率。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是为了提供一种基于光纤应变的沉降检测装置，其采用了少量非精密金属部件配合简单的光纤部件即可完成对目标岩层土体的沉降检测，结构简单，对于恶劣环境的适应能力强，可以在节省人力资源的前提下稳定且精确的检测岩层土体的沉降数据。

2、为了实现上述目的，本实用新型采取的具体方案如下：

3、一种基于光纤应变的沉降检测装置，包含检测组件，所述检测组件包含光纤和连接在所述光纤末端的应变处理器以及光发生器，其特征在于，该沉降检测装置还包含安装在地表的检测盒；所述检测组件还包含安装在所述检测盒的内腔中的膨胀套筒，所述膨胀套筒的内径从上到下逐渐缩小，所述光纤缠绕在所述膨胀套筒的外侧；该沉降检测装置还包含安装在所述膨胀套筒中的检测柱，所述检测柱通过拉绳连接于锚定部，所述锚定部埋设在地表下方的土体中。

4、由此，该沉降检测装置在垂直方向上主要由三部分组成，其一在固定在地表处的检测盒，其二为固定在地表下方土体中锚定部，其三为连接上述检测盒与锚定部的拉绳。

5、检测盒具有中空内腔，其中安装有膨胀套筒，膨胀套筒为弹性材质制作，例如pvc圆管，其内径从上到下逐渐缩小，上端设有开口，开口连接于检测盒的顶部开口。膨胀套筒内部设置有检测柱，检测柱通过上述检测盒的顶部开口自上而下插入安装，其底部插入膨胀套筒的上端开口，即检测柱可以通过上端开口挤压侵入至膨胀套筒的内腔中。膨胀套筒下端开口连接于检测盒底端内表面，该处中心设置有供拉绳穿过的容纳孔。检测柱底部与拉绳的一端连接，拉绳的另一端连接于锚定部，锚定部埋设在地表下方的土体中。在无拉力施加至检测柱时，其自身受到的竖直向下的重力将被膨胀套筒提供的挤压力的向上的分力抵消，避免其掉落至检测盒底部。

6、膨胀套筒具备弹性，并且内径从上到下逐渐缩小，可保证初始状态的检测柱不会在重力因素的影响下自由坠落至检测盒的底部。拉绳一端与检测柱的下表面中心点连接，另一端与地表下方土体中的锚定部固定连接，锚定部可以通过拉绳来对检测柱施加拉力，使得检测柱可以进行垂直位移。拉绳可选用现有技术中的钢丝绳、镀锌钢丝绳，在具备较强的抗拉能力的同时还具备较强的耐腐蚀，抗摩擦能力。光纤螺旋缠绕在膨胀套筒的外表面，其两端与应变处理器连接，其中采用具备光栅结构的光纤；应变处理器可以采用现有技术中的光纤布拉格光栅传感器（fbg传感器）配合微型计算芯片实现，其通过测量光信号的频率偏移来确定光纤所受到的应变。在进行正式检测工作前，首先进行应变数据转化实验，在检测柱下端连接短测试钢丝，使用现有技术中的精准距离检测仪垂直拉动短测试钢丝，检测柱侵入膨胀套筒，光纤发生应变，fbg传感器采集全部行程下的光纤应变数据，将光纤应变数据与距离检测仪的距离移动数据进行匹配建立函数关系，并由微型计算芯片记录。完成后恢复检测柱与膨胀套筒的初始位置，恢复光纤初始位置，进行正式工作状态。

7、当锚定部被固定在目标深度的下层土体中时，使用拉绳将其与检测柱固定连接，并将检测盒固定在其垂直上方的地表上。当深层土体发生沉降时，会带动锚定部向下位移，此时锚定部将通过拉绳对检测柱施加拉力，该拉力中垂直向下的分力将带动检测柱克服膨胀套筒的反作用挤压力，使得检测柱的下端挤入膨胀套筒的内腔中，此时膨胀套筒发生轻微膨胀形变，进而使得其外表面缠绕的光纤发生应变，光发生器输入光纤的光源通过光纤，当光纤受到应变时，光栅结构的周期性发生变化，导致衍射谱发生位移或形状变化，应变处理器通过测量衍射谱的变化，可以确定光纤的应变情况，并将其转化为相应的应变数据，应变数据将被微型计算芯片采集和处理，结合上述已经获得的函数关系，微型计算芯片可自动获取对应的精确位移量，即对应的土体沉降量。

8、通过上述简单的部件组合即可测量得到土体沉降量，固定在土体中的部分仅为锚定部，其可以采用简单且耐用的钢铁金属制造，而发挥检测作用的检测装置安装在地表上，并受到检测盒的保护，锚定部在恶劣的地层环境中同样可以发挥应有的效用；应变处理器可以根据应变数据来精确的得到沉降量，不需要人工观测数据，自动反应检测柱的位移量并后台记录，以此可以对沉降量进行科学检测，节省人力资源，提高施工效率。

9、作为本实用新型的优选，所述检测盒包含盒体和开设在所述盒体顶部的容纳通孔，所述检测柱穿过所述容纳通孔中。

10、由此，为了保证检测数据的精准性，检测柱需要保持垂直的工作姿态，而膨胀套筒为具备弹性的材质制作，对于安装在其中的检测柱的姿态约束能力较弱，因此检测柱不可完全安置在检测盒的盒体内部。其通过容纳通孔穿出盒体，容纳通孔可以对其垂直的工作姿态进行限位约束，膨胀套筒的上端开口与容纳通孔连接，可以保证检测柱的顺利插入。

11、作为本实用新型的优选，所述检测柱包含柱身和设置在所述柱身外侧表面的且用于显示位移量的刻度尺。

12、由此，检测柱选用金属或工程塑料制作，其柱身直径略小于容纳通孔，可以在容纳通孔中进行稳定且沿竖直方向的滑动。柱身外侧表面设置有刻度尺，其随柱身进行同步位移，此时其刻度相对于容纳通孔的孔沿的位置会发生变化，容纳通孔的孔沿相当于参考标准线，进而可以根据刻度位置变化读取柱身下移量，得到沉降数据。

13、通过上述沉降数据与应变处理器得到的沉降数据进行对比，可以实现相互校验，进而增强数据可信度，及时发现检测故障，增强本沉降检测装置的数据可信度和精准性。

14、作为本实用新型的优选，所述检测柱还包含安装在所述柱身下方的引导连接部；所述拉绳与所述引导连接部连接。

15、引导连接部为半圆形环体或带有安装孔的半球等具有圆滑下表面的连接部，其不仅通过自身的连接位与拉绳进行连接，还通过自身的圆滑下表面增强与膨胀套筒的适配性。具体地，该引导连接部可以帮助检测柱更方便的安装进膨胀套筒的内腔中，并且可以增加滑动顺畅性，避免柱身底部下沿划破膨胀套筒，使得检测柱在膨胀套筒内的滑动拥有更高的稳定性，有利于增强检测准确性。

16、作为本实用新型的优选，所述锚定部包含锚定壳体、活动连接在所述锚定壳体上的多个锚定爪和用于为所述拉绳提供连接位置的多个固定通孔。

17、由此，锚定壳体上安装有多个锚定爪，锚定爪可以在折叠状态和展开状态间切换，由此方便锚定部顺利下方至地层深处。锚定壳体和锚定爪采用铸铁等金属材质制作，成本较低，在完成定点检测后可以直接舍弃在地下，以提高检测效率。锚定壳体上设置有多个固定通孔，每个固定通孔可以固定镀锌钢丝绳的其中一股，多个固定通孔配合，可以将镀锌钢丝绳牢固的连接在锚定壳体上，锚定壳体再与岩层土体紧密固定，当土体发生沉降时，其可以带动锚定壳体下沉，进而拉动镀锌钢丝绳，由镀锌钢丝绳对检测柱提供垂直拉力，使得检测柱挤入膨胀套筒的内腔中，进而令光纤发生弯曲变形，应变数据将自动传递至应变处理器进行计算处理。

18、作为本实用新型的优选，该沉降检测装置还包含多根安装在所述盒体上的，用于将所述检测盒固定于地表上的固定杆；所述固定杆具有中空内腔。

19、由此，由于该沉降检测装置的检测盒需要与地表牢固固定，因此在盒体中插入并固定多根固定杆，固定杆具有中空内腔，可以采用现有的钢管制作。其顶端通过螺纹紧固件与盒体固定连接，其底部插入地表的岩层或土体中，接着通过其中空内腔注入水泥浆等黏合材料，使得整个检测盒被稳固地固定在地表之上，不会因意外撞击而偏移其自身位置，并保证其中的检测柱可以相对于盒体进行正常位移活动。

20、作为本实用新型的优选，所述检测盒还包含设置在所述盒体上的，用于供所述光纤穿出的侧孔，所述侧孔中安装有橡胶固位圈。

21、由此，光纤螺旋缠绕在膨胀套筒的外表面，其光纤的两端需要穿出检测盒的盒体，并分别连接应变处理器和光发射器。并且光纤需要保持与膨胀套筒的相对紧密的缠绕状态，因此在盒体的侧面板的上下位置上，对应开设两个侧孔，且每个侧孔中均安装有橡胶固位圈，橡胶固位圈具备一定的弹性，可以将光纤在进出口处加紧，进而防止光纤轻易发生位移，使得位于膨胀套筒上的部分不能松脱，保证其应变量被正确采集。橡胶固位圈还可以保护光纤不会被侧孔的金属孔壁划伤弄断，实现保护的作用。

22、作为本实用新型的优选，所述检测盒还包含安装在所述盒体上的且用于检测所述盒体水平度的气泡式水平仪。

23、由此，检测盒的盒体上表面还安装有气泡式水平仪，其造价低廉，实用性强。由于检测盒中的膨胀套筒需要与水平地面保证相对垂直，即盒体上表面需要与水平地面保持相对水平，因此在安装时，需要参考该气泡式水平仪的水平指示数据，当气泡处于水平仪正中心时，即可判断此时达到了安装角度要求，此时可以锁定固定杆，并向固定杆中灌注水泥浆。通过该气泡式水平仪，可以增加本沉降检测装置的现场安装效率和精度；并且在连续工作过程中方便工作人员实时获取其水平状态，及时矫正水平度，增强连续检测工作中的精准度稳定性。

24、综上所述，本实用新型具有以下的有益效果：

25、1.通过膨胀套筒、安装在其中的检测柱和螺旋缠绕在其外侧的光纤，配合拉绳对检测柱的拉动作用，可以实现通过光纤的应变来精确计算检测柱的位移量等参数，进而得出对应的土体沉降数据，在节省了人力资源的同时可以保证检测精度。

26、2.通过在检测柱上设置刻度尺，可以借助观测数据实现对检测组件获取的数据的检验对比，提高对检测组件的故障发现效率。

27、3.通过在检测盒上设置气泡式水平仪，可以在该沉降监测装置安装时实现高效调平，并且在工作过程中方便工作人员实时获取其水平状态，及时矫正水平度，增强连续检测工作中的精准度稳定性。