基于光纖傳感土體豎向位移監(jiān)測裝置設計

摘要：軟土或吹填土土體在自重應力的作用以及外部建筑載荷的作用下，普遍會出現(xiàn)土體沉降且沉降不均勻現(xiàn)象，對于各種工程結構的安全穩(wěn)定有較大影響，甚至引發(fā)地質災害?；诠饫w光柵技術設計的新型高精度地下深層土體沉降監(jiān)測裝置能夠實現(xiàn)自動化實時監(jiān)測，具有高精度，抗電磁干擾，可無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，解決了現(xiàn)有測量裝置操作復雜，度數(shù)精度差，易受電磁干擾的問題。

關鍵詞：土體沉降；光纖傳感；光纖光柵；實時監(jiān)測

目前土體分層沉降的常用的測量方法有以下幾種：LVDT配套變形板、機械式彈性位移計、磁環(huán)式分層沉降儀等。LVDT是一種直線位移傳感器，測量過程中由于內部鐵芯的移動，使得兩次級線圈產生的感應電動勢不等，在設計時將兩線圈反串相接，此時LVDT輸出的電壓是兩個次級線圈的電壓之差，鐵芯的位移值與輸出的電壓值呈線性關系[ 1 ]，LVDT的精度與測量量程相關，一般為量程的0.24%，所以不適合大范圍位移的測量。而且由于LVDT為電感式傳感器，實際使用中常常受到電磁干擾的影響，也會極大影響其工作精度。機械式彈性位移計主要是用百分表測試變形板的沉降[ 2 ]，彈力桿的變化使固定在位移計主體上的表盤上的指針轉動，數(shù)據(jù)具有可靠性且精度較高，缺點是需要人工讀數(shù)，不能全自動記錄數(shù)據(jù)。同時彈性材料會隨著時間變化產生不可逆的形變，對測量結果會產生影響。磁環(huán)式分層沉降儀[3]，在實際操作中常常會受到電磁干擾，且需要人工讀取數(shù)據(jù)，極大程度地影響了測量的精度。不能夠滿足實時監(jiān)測的需求。因此，研究新型的監(jiān)測裝置勢在必行。

1新型土體豎向位移監(jiān)測裝置結構

豎向位移探測桿的大套管部分采用兩個板塊套管拼裝的方式進行組裝，邊緣有配合固定的固定螺釘，拼裝結構的設計便于套管內部結構的初期安裝和布局，以及后期的調整及維護。該測量裝置整體結構如圖1所示，包括兩個相對滑動的豎向位移探測桿，在滑動桿兩端有與之固定的沉降板。位移轉換裝置為螺桿和齒輪一體的結構部件。兩豎向位移探測桿為一大圓柱形金屬套管和一小圓柱形金屬桿，大套管內側和小金屬桿外側有齒輪槽，兩套管通過齒輪螺桿一體部件的齒輪部分連接，可以進行相對滑動，與齒輪平面垂直的方向上有一個帶有螺紋的螺桿，螺桿兩頭的自由端與大套管管壁上的螺桿底座連接，其中螺桿底座上有與螺桿尺寸匹配的螺孔，當兩豎向位移探測桿相對滑動時，帶動齒輪轉動，此時，齒輪轉動帶動螺桿在與齒輪轉動面垂直方向有微小的移動。

位移傳遞裝置需配合帶孔傳動桿一起使用，帶孔傳動桿為一中部帶孔的金屬桿，其作用是螺桿齒輪一體結構部件的螺桿穿過其通孔，兩端被凸起部分固定，使傳動桿在與帶孔螺桿上不發(fā)生沿螺桿軸向的滑動，在螺桿沿軸向方向微小移動的過程中，帶孔傳動桿隨著螺桿的移動產生相同方向相同位移大小的移動。傳動桿的兩端自由端放置在豎向位移探測桿大套管內部設計好的滑動槽內，滑動槽一方面限制傳動桿移動的方向，另一方面起到承接作用。具體結構如圖2所示。

螺桿部分中部有一部分不帶螺紋的光滑表面，設計一端有部分突起用于承接帶孔傳動螺桿，將帶孔傳動桿套入后另一端通過緊固件固定帶孔傳動桿的位置。

光纖光柵安裝位置位于豎向位移探測桿大套管內部的螺桿底座和帶孔傳動桿之間，方向與螺桿平行，一端與大套管內側的螺桿底座通過膠粘劑固定，另一端與帶孔傳動桿一側的桿部通過膠粘劑連接，這樣保證了在螺桿沿軸向方向移動過程中光柵隨之受到拉伸或壓縮。光柵兩端的通信光纖沿滑動桿方向布設，穿過固定板引出自由端，可實現(xiàn)多個傳感裝置的串聯(lián)。

2新型監(jiān)測裝置的位移計算方法

3土體豎向位移測量裝置的使用

初始狀態(tài)下，齒輪螺桿一體傳動部件的齒輪位于豎向位移探測桿大套管的中部適當位置，使得兩探測桿在上下兩個方向均可移動，移動范圍由實際測試需要進行具體調整。螺桿部分位于豎向位移探測桿大套管內部兩螺桿底座的中部位置，使之在沿螺桿軸向的兩個方向均可移動，整個裝置放入預先打好的沉降監(jiān)測孔中，后進行回填，使得固定板被土壤掩埋，在發(fā)生沉降的過程中，固定板隨著土體下沉一同下沉，并連帶探測桿伸縮滑動。沉降裝置的量程為S由螺桿上螺紋的導程s，以及光柵的極限拉伸長度L決定，實際應用過程中通過實際監(jiān)測的土體沉降范圍可對s進行調整，使位移轉換裝置達到合適的位移傳動比，以滿足需求。

光纖光柵兩端通過通信光纜連接，沿探測桿方向布設在內部大套管內部及小圓柱桿內部，預先通過膠粘劑進行粘貼固定，從固定板中間傳出，可實現(xiàn)多個沉降裝置的依次串聯(lián)連接，拓展整個系統(tǒng)的測量范圍。串聯(lián)系統(tǒng)的上端可接入光纖光柵解調儀進行信號解調，同一解調裝置可同時解調多個串聯(lián)系統(tǒng)。

4結論

新型土體豎向位移監(jiān)測裝置通過光纖串聯(lián)形成一個完整的檢測系統(tǒng)，可針對不同的實際監(jiān)測需求進行監(jiān)測。裝置本身利用光纖光柵為主要傳感器，不僅具有光纖光柵測量高精度，體積小，耦合性好，環(huán)境適應性強，易于維護和成本低等一列優(yōu)越性，同時傳動裝置相對于傳統(tǒng)的彈性部件易出現(xiàn)的非彈性變形相比，具有轉換精度高、不易變形，易于安裝、維護等優(yōu)點。外部光纖光柵解調儀可通過與無線模塊的連接對數(shù)據(jù)進行實時遠程傳輸，配合報警系統(tǒng)可以及時對土體沉降產生的危險進行預知，以及可以通過遠程控制對系統(tǒng)進行操作，實現(xiàn)無人值守，節(jié)省人力物力。

參考文獻：

[1]林憲臣.高精度差動變壓器式位移傳感器靜態(tài)特性的研究[D].天津：天津工業(yè)大學， 2019.

[2]陳志敏，馮亞松，薛智文.高地應力軟巖隧道模型試驗系統(tǒng)研發(fā)[C].中國土木工程學會2019年學術年會論文集.2019.

[3]張阿峰.電磁式自動化沉降儀測尺的改進技術[J].水力發(fā)電，2012，38（2）：86-88.

（作者簡介： 魏一方，中國人民解放軍92228部隊助理工程師，研究方向為光纖傳感應用）