一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统及监测方法与流程

本发明属于光纤光栅传感器，尤其涉及一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统及监测方法。

背景技术：

1、在下有隧道穿越的关键路段、下有涵洞施工的道路、现浇箱梁支架等的建构筑物的薄弱区段，存在不均匀沉降风向，且沉降灾害具有隐蔽性强和突发性高等特点，因此对薄弱施工区段进行沉降监测逐渐成为规范要求。现主要采取全站仪对设定点进间歇性监测，但该监测方法存在成本高昂以及操作复杂、实时性差、耐久性差等问题。以振弦式传感器进行的监测方法进行监测，振弦传感器的研究表明，其电学监测原理限制了其使用寿命，且无法实时监测。断面沉降的实时在线监测是为及时发现被监测建构筑物薄弱区段在建设过程、运营期的变形情况，评估其安全状态，预防潜在的安全隐患，通过对监测建构筑物薄弱区段结构变形的实时在线监测，可以为建构筑物的设计、施工和养护提供科学依据，提高建设质量。

2、光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器。基本工作原理是光经过光纤进入光栅区域，通过外界量的变化，引发光在光栅区域的多个参量发生改变，如波长、强度、振幅、频率等以此对外界量进行测量，并实现数据传输。光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、不受电磁干扰、测量精度高、易分布式组网、环境适应性好等特点。光纤光栅传感器属安全型产品，广泛用于矿山、桥梁、隧道、深基坑、高边坡、装配式建筑等远程、在线、实时、智能监测中。

3、目前国内外从事光纤光栅传感技术的厂家，普遍采用环氧树脂、光纤光栅和传感基体的方式封装基片，环氧树脂胶水仅通过物理黏结与传感基体结合，结合方式并不牢固而且环氧树脂胶水在高温、高湿、强紫外线、腐蚀性环境中极易损坏脱落，需要进一步改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统及监测方法，以适应建构筑物薄弱区段实时、在线、高效、高精度监测的需要，同时该监测装置多组配合使用可构建三维立体沉降模型，且每一组均可重复循环交替使用具备经济性和操作的便捷性，能够解决传统监测方法成本高昂，安装使用操作复杂，实时性差，耐久性差的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供了一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统，包括刚性支架(1)、多个位移传感器(2)、多个刚性拉线(3)、多个监测锚点(4)、2个测斜刚性梁(5)、多个倾角传感器(6)、2个测斜支腿(7)、多个带钩滑轮(8)、光缆(9)、光纤光栅解调仪(10)、电源供电单元(11)、监测预警平台(12)、远程监控中心(13)和移动终端(14)；

4、所述刚性支架(1)设置在被监测构筑物的沉降风险断面上，2个所述测斜刚性梁(5)连接在所述刚性支架(1)两侧，2个所述测斜支腿(7)连接在2个所述测斜刚性梁(5)的端部上，所述刚性支架(1)下方地面上固定有多个所述监测锚点(4)，所述刚性支架(1)的沉降刚性梁(102)上间隔设置的多个位移传感器(2)均通过所述刚性拉线(3)与所述监测锚点(4)连接；所述测斜刚性梁(5)底部上至少设置有1个所述倾角传感器(6)，所述测斜刚性梁(5)端部开设的槽口(502)设置有所述带钩滑轮(8)，所述测斜刚性梁(5)上设置的位移传感器(2)均通过刚性拉线(3)固定在所述带钩滑轮(8)上；

5、所有位移传感器(2)和所述倾角传感器(6)用于获取所述沉降刚性梁(102)范围内沉降数据；所有位移传感器(2)和所述倾角传感器(6)均通过所述光缆(9)连接至所述光纤光栅解调仪(10)，所述电源供电单元(11)为所述光纤光栅解调仪(10)提供电源，所述光纤光栅解调仪(10)将采集到的数据通过无线传输至所述监测预警平台(12)，所述监测预警平台(12)对数据采集、处理提取出沉降量的信息，绘制沉降曲线，分析沉降趋势，根据预设的数据质量标准和规则，对数据进行监控，一旦发现数据异常或超出预设范围，会立即发出警报，为被监测构筑物的安全运营和维护提供科学依据，还可将数据发送至所述远程监控中心(13)和所述移动终端(14)，及时进行事故预警。

6、根据本发明一可选实施例，所述刚性支架(1)为门架形结构，包括沉降刚性梁(102)、位于所述沉降刚性梁(102)两端的2个简支支腿(101)，2个所述简支支腿(101)底部设置有长条形底座(103)，2个所述简支支腿(101)与所述沉降刚性梁(102)连接的中心位置均开设第一转轴(104)，所述第一转轴(104)穿过所述测斜刚性梁(5)开设的所述第一轴孔(501)，所述刚性支架(1)与所述测斜刚性梁(5)可绕所述第一转轴(104)灵活转动。

7、根据本发明一可选实施例，所述测斜支腿(7)的测斜支腿立柱(701)上部开设有第二转轴(702)，所述第二转轴(702)可在所述槽口(502)内灵活滑动；所述测斜支腿立柱(701)底部设置有板状底板(703)，所述带钩滑轮(8)固定在所述所述第二转轴(702)上。

8、根据本发明一可选实施例，所述简支支腿(101)、所述沉降刚性梁(102)和所述测斜支腿(7)均为方形杆状或板状结构。

9、根据本发明一可选实施例，所述监测锚点(4)包括安装底座(401)，所述安装底座(401)上开设有固定连接装置(402)；所述监测锚点(4)的安装底座(401)与被监测构件通过膨胀螺丝、预埋、制作承台的方式与地面牢固固定。

10、根据本发明一可选实施例，所述带钩滑轮组(8)包括吊钩(8-01)、滑轮轴(8-02)、轴承(8-03)和轴承套(8-04)，所述吊钩(8-01)固定在所述轴承套(8-04)外径上，所述轴承套(8-04)内嵌所述轴承(8-03)上，，所述轴承(8-03)与所述滑轮轴(8-02)为滚动连接。

11、本发明实施例还提供一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测方法，通过如上述实施例中的一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统实现的，其中，所述断面沉降监测方法包括如下步骤：

12、步骤s1，在下有隧道穿越的关键路段、下有涵洞施工的道路、现浇箱梁支架的需要断面沉降监测的场景，在存有沉降风险断面设置所述断面沉降监测系统，2个简支支腿(101)在沉降监测区域两侧，底座(103)被地面简单支撑；测量起始位置，简支支腿(101)中心线与地面垂直，2个所述测斜支腿(7)布设在设定不存在沉降的水平位置上，且分布在2个简支支腿(101)外侧，测斜支腿(7)中心线与地面垂直，沉降刚性梁(102)中心线与地面垂直；

13、步骤s2，设定左侧第一转轴(104)中心点为a点，右侧第一转轴(104)中心点为b点，a投影至简支底座(103)下平面点为d点，b投影至简支底座(103)下平面点为c点，测斜支腿(7)的左侧第二转轴(702)中心点为e点,测斜支腿(7)的右侧第二转轴(702)中心点为f点，e投影至底板(703)下平面点为h点，f投影至底板(703)下平面点为g点；左侧第一位移传感器中心点为w1；左侧第二位移传感器中心点为w2……左侧第一位移传感器中心点w1投影至监测锚点下平面为w01；左侧第二位移传感器中心点投影至监测锚点下平面为w02；

14、步骤s3，已知初始测量位置ad＝bc＝eh＝fg＝h1；ab＝cd＝l1，ae＝bf＝l2,沉降刚性梁(102)上位移计均布间隙为a，w1w01＝w2w02……＝c；

15、步骤s4，当ad与bc之间产生沉降时，左侧测斜刚性梁(5)上测得左侧倾角传感器(6)水平线倾斜角为θ左，左侧位移传感器(2)测得位移λ左，测得右侧测斜刚性梁(5)左侧倾角传感器(6)与水平线倾斜角为θ右，左侧位移传感器(2)测得位移λ右；沉降刚性梁(102)上位移传感器(2)测得数据从左向右分别为：c1、c2……；

16、可计算得出：

17、ae＝l2+λ左,bf＝l2+λ右；

18、a点下沉＝d点下沉＝(l2+λ左)×sinθ左；

19、b点下沉＝c点下沉＝(l2+λ右)×sinθ右；

20、计算得出：

21、ab与水平夹角θ中＝arcsin[(|λ左-λ右|)/l1]；

22、sinθ中＝(|λ左-λ右|)/l1；

23、w1点相对于a点下沉＝c×sinθ中＝c×[(|λ左-λ右|)/l1]；

24、w2点相对于a点下沉＝2c×sinθ中＝2c×[(|λ左-λ右|)/l1]；

25、……

26、w1点绝对下沉＝a点下沉+w1点相对于a点下沉＝(l2+λ左)×sinθ左+c×[(|λ左-λ右|)/l1]；

27、w2点绝对下沉＝a点下沉+w2点相对于a点下沉＝(l2+λ左)×sinθ左+2c×[(|λ左-λ右|)/l1]；

28、……

29、根据沉降规则，w1与w01、w2与w02……可不考虑其沿ad、bc方向的投影位置会产生相对滑动；

30、w01点绝对下沉＝w1点绝对下沉+(h1+c1)×cosθ中＝(l2+λ左)×sinθ左+c×sinθ中+＝(l2+λ左)×sinθ左+c×sin{arcsin[(|λ左-λ右|/l1)]}+c1；

31、w02点绝对下沉＝w2点绝对下沉+(h1+c2)×cosθ中＝(l2+λ左)×sinθ左+2c×sinθ中＝(l2+λ左)×sinθ左+2c×sin{arcsin[(|λ左-λ右|/l1)]}+c2；

32、由此可得出d、w01、w02、w03……c各点沉降数据，并依据数据绘制沉降曲线；所有位移传感器(2)和倾角传感器(6)均通过光缆(9)连接至光纤光栅解调仪(10)，电源供电单元(11)为光纤光栅解调仪(10)提供电源；光纤光栅解调仪(10)将采集到的数据通过无线传输至监测预警平台(12)，监测预警平台(12)对数据采集、处理提取出沉降量的信息，绘制沉降曲线，分析沉降趋势，根据预设的数据质量标准和规则，对数据进行监控，一旦发现数据异常或超出预设范围，会立即发出警报，为被监测构筑物的安全运营和维护提供科学依据；还可将数据发送至远程监控中心(13)和移动终端(14)，及时进行事故预警。

33、与现有技术相比，本发明实施例提供一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统及监测方法，具有以下有益效果：

34、(1)、断面沉降的实时在线监测是为及时发现被监测建构筑物薄弱区段在建设过程、运营期的变形情况，评估其安全状态，预防潜在的安全隐患，通过对监测建构筑物薄弱区段结构变形的实时在线监测，可以为建构筑物的设计、施工和养护提供科学依据，提高建设质量。

35、(2)、本发明的断面沉降监测系统布设简单高效，适用下有隧道穿越的关键路段、下有涵洞施工的道路、现浇箱梁支架等的建构筑物的薄弱区段的沉降监测，不受施工影响；使用光纤光栅传感器的光学进行监测，能耗小，与传统的测量方法相比，本发明的系统结构简单，成本低廉，可重复使用易于推广应用。

36、(3)中国专利cn112230327a公开了“一种光纤光栅的全玻璃封装装置及封装方法”，本发明以该专利技术为基础创新研发一种新的新型光纤光栅传感器基片，在具备光纤光栅传感器抗干扰能力强、不受电磁干扰、测量精度高、易分布式组网、环境适应性好等特点的基础上，解决了当前光纤传感器耐久性、稳定性差等问题。

37、(4)本发明基于新型光纤光栅传感器基片，研发的多种新型光纤光栅传感器利用光纤光栅传感原理，实现对沉降、位移、倾角的高精度测量。监测预警平台可对位移、倾斜、温度等参数分别进行监测，且监测数据独立监测互不干扰，能够以初始测绘数据建立动态模型实时显示其变化情况。设置报警阈值可实现分段预警，监测数据可实时无线传输，实现远程本地同步预警，可有效避免事故的发生。通过监测预警平台实现数据的集中管理和分析，减少人工操作的复杂性和误差。

38、(5)本发明的监测系统内的传感器为模块化安装，安装便捷高效，电源供电单元采取ups与太阳能电板结合等方式无需单独敷设线路，符合现场工程建设需求，检修替换方便，可重复循环使用，监测装置光纤布设科学合理，可有效降低损耗；

39、因此，本发明提出了一种基于光纤光栅传感器的断面沉降监测系统及监测方法，以适下有隧道穿越的关键路段、下有涵洞施工的道路、现浇箱梁支架等的建构筑物的薄弱区段的实时、在线、高效、高精度监测的需要，同时该监测装置多组配合使用可构建三维立体沉降模型，且每一组均可重复循环交替使用具备经济性和操作的便捷性。