一种光纤光栅山体边坡监测传感模块及防护装置的制作方法

1.本实用新型属于光纤光栅山体边坡监测领域，尤其涉及一种光纤光栅山体边坡监测传感模块及防护装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来随着气候变暖等原因,在山区的公路时刻面临着被山体滑坡和泥石流冲毁的危险。尤其是当雨季来临之时,大量的山体滑坡、泥石流或塌方等自然灾害随时危害着山区公路以及山区的居民。一旦发生自然灾害,山区公路被毁坏，同时山区的受灾居民也将面临大量的迁移。其中，山体滑坡是指山体斜坡上某一部分岩土在重力(包括岩土本身重力及地下水的动静压力)作用下，沿着一定的软弱结构面(带)产生剪切位移而整体地向斜坡下方移动的作用和现象。地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷；不合理的人类工程活动，如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、水库蓄(泄)水、矿山开采等都可诱发滑坡，还有如海啸、风暴潮、冻融等作用也可诱发滑坡。有些滑坡发生时间稍晚于诱发作用因素的时间。
4.发明人发现，目前的边坡和滑坡综合监测系统只实现对边坡位移、深部位移、支档结构及锚固结构的实时监控，但缺少对边坡体表小面积的落石或滑坡的监控及防护，而且现有的监测系统应用多种光纤传感器，结构复杂，前期实施及后期维护的成本太大。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种光纤光栅山体边坡监测传感模块及防护装置，其能够实现防护与监测于一体，在监测的同时也具有很好的防护效果。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.本实用新型的第一个方面提供一种光纤光栅山体边坡监测传感模块，其包括基座、支架、压缩弹簧、导向轮、悬臂梁、滑块、应力光纤光栅、温补光纤光栅和连接绳；
8.所述支架、所述压缩弹簧和所述导向轮固定在所述基座上；
9.所述悬臂梁设置在所述支架上，所述应力光纤光栅贴设在所述悬臂梁上；
10.所述悬臂梁还与所述滑块相接触，所述滑块固定在所述压缩弹簧的一端，所述滑块还与所述连接绳相连；
11.所述导向轮用于对所述连接绳的拉力方向进行导向，使施加在所述滑块的拉力方向平行于所述压缩弹簧；
12.所述温补光纤光栅固定在所述基座上，所述温补光纤光栅还与所述应力光纤光栅相连。
13.作为一种实施方式，所述光纤光栅山体边坡监测传感模块还包括盖板，所述盖板
设置在所述基座上。
14.作为一种实施方式，所述盖板与所述基座之间设置有密封垫片。
15.作为一种实施方式，所述盖板上还设置有传感器固定孔。
16.作为一种实施方式，所述连接绳还与连接环相连。
17.作为一种实施方式，所述基座上设置有绳孔，所述连接绳穿设过所述绳孔。
18.作为一种实施方式，所述绳孔与所述连接绳之间设置有密封硅胶片。
19.作为一种实施方式，所述支架为l型支架。
20.作为一种实施方式，所述l型支架设置有固定孔，所述l型支架通过所述固定孔固定在所述基座上。
21.本实用新型的第二个方面提供一种防护装置，其包括若干个如上述所述的光纤光栅山体边坡监测传感模块；及抗滑桩、防护网、钢丝绳和光纤光栅解调仪；
22.所述光纤光栅山体边坡监测传感模块固定在所述抗滑桩上；
23.所述防护网用于横向连接所述光纤光栅山体边坡监测传感模块；
24.所述钢丝绳用于纵向连接所述光纤光栅山体边坡监测传感模块；
25.所述防护网和所述钢丝绳均与所述连接绳相连；
26.所述光纤光栅山体边坡监测传感模块与所述光纤光栅解调仪相连。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
28.本实用新型包括基座、支架、压缩弹簧、导向轮、悬臂梁、滑块、应力光纤光栅、温补光纤光栅和连接绳，结构简单，有利于前期实施，而且采用应力光纤光栅和温补光纤光栅相连的结构，利用温补光纤光栅对应力光纤光栅的光信号进行温度补偿，使各个温度下应力光纤光栅都能正常工作，使用光纤光栅山体边坡监测传感模块实现了小范围崩塌、落石和大面积滑坡的全方位边坡监测；
29.本实用新型还通过使用边坡防护网和防滑桩与传感器配合使用，实现了防护与监测于一体，在监测的同时也具有很好的防护效果，降低了后期维护的成本。
30.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
31.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
32.图1是本实用新型实施例的光纤光栅山体边坡监测传感模块的截面图；
33.图2是本实用新型实施例的光纤光栅山体边坡监测传感模块的俯视图；
34.图3是本实用新型实施例的光纤光栅山体边坡监测传感模块的外观图；
35.图4是本实用新型实施例的同轴绕线轮的小半径端放大图；
36.图5是本实用新型实施例的第一密封垫片示意图；
37.图6是本实用新型实施例的第二密封垫片示意图；
38.图7是本实用新型实施例的防护装置的结构示意图。
39.其中：1盖板、2基座、3传感器固定孔、4连接环、5连接绳、6绳孔、7葛兰接头、8光缆、
9第一密封垫片、10第二密封垫片、11盖板固定孔、12支架、13悬臂梁、14压缩弹簧、15导向轮、16密封硅胶片、17滑块、18应力光纤光栅、19温补光纤光栅、20光纤、21固定孔、22抗滑桩、23防护网、24钢丝绳。
具体实施方式
40.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
43.实施例一
44.参照图1和图2所示，本实施例的一种光纤光栅山体边坡监测传感模块，其包括基座2、支架12、压缩弹簧14、导向轮15、悬臂梁13、滑块17、应力光纤光栅18、温补光纤光栅19和连接绳5。
45.其中，基座2主要用于固定传感器的各个零件，使各个零件能正常工作，同时也保护传感器内部结构，使传感器能正常工作，不受外部环境的影响；基座作为主要的受力结构，需保证其整体强度足够大，在巨大且持续的拉力下依然能正常工。
46.所述支架12、所述压缩弹簧14和所述导向轮15固定在所述基座2上。
47.其中，压缩弹簧14主要用于固定滑块，当滑块17受到连接绳5的拉力时，滑块17向下移动，使压缩弹簧14压缩，产生一个反向于连接绳5拉力的弹力，最终使滑块17达到平衡状态。
48.在本实施例中，滑块17主要用于承受连接绳5的拉力和压缩弹簧14的弹力，当两个力的平衡被打破时，滑块在一定范围内做直线反复运动；滑块为长方体，两端有压缩弹簧14的固定孔位，连接绳5固定在滑块17的中间位置。例如：在本实施例中，使用长宽高为50mm*25mm*10mm的不锈钢长方体，两端有直径22.1mm的沉孔用于固定压缩弹簧14，中间有5.1mm的通孔用于固定连接绳。
49.所述悬臂梁13设置在所述支架12上，所述应力光纤光栅18贴设在所述悬臂梁13上。其中，悬臂梁13主要用于粘贴应力光纤光栅18，将滑块17的移动量转换为作用在应力光纤光栅18上的拉伸量；悬臂梁13为等边梯形梁，梯形梁可近似等效为等强度梁。
50.例如：在本实施例中，使用弹性模量e-1.3x10
11
pa，泊松比μ＝0.8，膜片厚度1x10-3
m，其有效臂长为60mm，上底1mm、下底25mm的弹性膜片作为悬臂梁13。
51.其中，应力光纤光栅18主要用于将悬臂梁自由端的形变量转换为光信号的变化量；应力光纤光栅18使用树脂胶沿轴向粘贴于悬臂梁13的中心位置。
52.所述悬臂梁13还与所述滑块17相接触，所述滑块17固定在所述压缩弹簧14的一端，所述滑块17还与所述连接绳5相连。
53.其中，连接绳5主要用于将传感器内的滑块17与连接环4相连接，同时通过导向轮
15将连接环4受到的平面上各个方向上的拉力转换为与压缩弹簧14平行方向上的拉力；连接绳5一般为钢丝软绳，例如：使用直径5mm的不锈钢丝绳为连接绳5。
54.所述导向轮15用于对所述连接绳5的拉力方向进行导向，使施加在所述滑块17的拉力方向平行于所述压缩弹簧14；
55.作为一种实施方式，所述连接绳5还与连接环4相连。其中，连接环4主要用于传感器的连接绳5与防护网23和钢丝绳24的连接；连接环4的结构和尺寸可根据实际情况来具体设置，比如：使用直径为20mm，粗5mm的不锈钢环为连接环。
56.所述温补光纤光栅19固定在所述基座2上，所述温补光纤光栅19还与所述应力光纤光栅18相连。
57.其中，温补光纤光栅19主要用于对应力光纤光栅18的光信号进行温度补偿，使各个温度下应力光纤光栅18都能正常工作；温补光纤光栅19处于无受力状态，用树脂胶固定于基座2上。
58.在一些实施例中，所述光纤光栅山体边坡监测传感模块还包括盖板1，所述盖板1设置在所述基座2上。所述盖板1用于保护传感器内部结构，使传感器能正常工作，不受外部环境的影响。
59.如图4所述，所述支架12为l型支架。所述l型支架设置有固定孔21，所述l型支架通过所述固定孔21固定在所述基座上。其中，l型支架主要用于支撑悬臂梁，使滑块滑动时悬臂梁受到一定的应力。
60.在一个或多个实施例，所述盖板1上还设置有盖板固定孔11，盖板固定孔11主要用于固定盖板1在基座2上，具有内螺纹。
61.如图5和图6所示，所述盖板1与所述基座2之间设置有密封垫片。
62.如图5所示的第一密封垫片9和图6所示的第二密封垫片10，用于盖板1与基座2之间的密封连接，具有防尘防水的特点。
63.在本实施例中，所述温补光纤光栅19与所述应力光纤光栅18之间通过光纤20相连。所述光纤20与光缆8相连。所述基座2还设置有葛兰接头7，所述葛兰接头7用于连接所述光缆8和所述基座2。其中，葛兰接头7具有防尘防水的特点，具体参数可根据实际情况调整。光缆8主要用于光信号的传输；光缆8的具体参数可根据实际情况调整。
64.其中，光纤主要用于光信号的传输；例如：使用康宁单模光纤g.652d。
65.作为一种实施方式，所述基座2上设置有绳孔6，所述连接绳5穿设过所述绳孔6。所述绳孔6与所述连接绳5之间设置有密封硅胶片16，如图3所示。其中，密封硅胶片16具有防尘防水的特点。
66.在一个或多个实施例，所述盖板1上还设置有传感器固定孔3。其中，传感器固定孔3主要用于将传感器固定在抗滑桩22上，使传感器承受巨大且持续的拉力也不发生移动；传感器固定孔3一般固定在抗滑桩22的钢筋上，使传感器和抗滑桩22稳定连接在一起。
67.实施例二
68.如图7所示，本实施例提供了一种防护装置，其包括若干个如上述所述的光纤光栅山体边坡监测传感模块；及抗滑桩22、防护网23、钢丝绳24和光纤光栅解调仪25；
69.所述光纤光栅山体边坡监测传感模块固定在所述抗滑桩22上；
70.所述防护网23用于横向连接所述光纤光栅山体边坡监测传感模块；
71.所述钢丝绳24用于纵向连接所述光纤光栅山体边坡监测传感模块；
72.所述防护网23和所述钢丝绳24均与所述连接绳5相连；
73.所述光纤光栅山体边坡监测传感模块与所述光纤光栅解调仪25相连。
74.其中，抗滑桩主要用于穿过滑坡体，深入于滑床，以支档滑体的滑动力，起稳定边坡的作用同时用于固定传感器，起到防护及监控的作用；
75.例如：本实施例使用直径30cm，长6m的钢筋混凝土作为抗滑桩，斜打进山体里，每10米布放一个，形成3横4列的布局，如图7所示，用于浅层滑坡的防护和监测，其中一根钢筋往外延伸一段，用于固定传感器。
76.防护网23主要用于覆盖包裹在所需防护的边坡上，以限制坡面岩石、土体的风化剥落、崩塌，以减少自然灾害的发生，同时在传感器或抗滑桩间横向连接，起到防护及监控的作用；
77.例如：使用直径3mm的钢丝软绳网，网孔75mm*75mm，整网长宽为10mx10m，如图7所示，防护网一共有12张，用于覆盖1200平方米的山体进行防护及监控。
78.钢丝绳24主要用于传感器间的纵向连接，以监测山体是否发生滑坡；例如：使用直径5mm的钢丝软绳，长度为10米。
79.如图7所示，黑色圆点为抗滑桩的打孔位置，将传感器安装在中间三列，防护网和钢丝绳如图连接在传感器连接环上；安装后，传感器的横向和纵向都具有一定的预应力。
80.当监控范围内发生小范围崩塌、落石时，防护网将承受落石的重量，避免落石掉落，同时至少两个传感器将检测到横向拉力的增加；当落石超过防护网的承受重量出现破损时，则传感器将检测到横向拉力的减小或增大，因为防护网的重心发生的变化。
81.当监控范围内发生山体滑坡时，将拉动纵向的钢丝绳，从而使传感器的纵向拉力增加；当滑坡的位移使钢丝绳发生断裂时，传感器的纵向拉力将会减小，因为缺少了预应力，只剩下钢丝绳的重力。
82.光纤布拉格光栅25是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。布拉格波长λb由下式决定：
83.λb＝2n
eff
λ
ꢀꢀꢀꢀ
(1-1)
84.式中：n
eff
为激光在光纤内传播的有效折射率；λ为布拉格光栅的周期。λb是λ和n
eff
的函数。
85.当fbg不受外力场的影响和环境温度变化δt时，λb发生漂移，其漂移量与温度变化的关系可写成
86.δλb＝λb(a ζ)δt
ꢀꢀꢀꢀ
(1-2)
87.式中：α为fbg材料的热膨胀系数；ζ为fbg材料的热光系数；δt为温度变化量。
88.当环境温度恒定时，fbg受外力场的作用，λb发生漂移，漂移量为δλ＝λb(1-pe)δε
ꢀꢀꢀꢀ
(1-3)
89.式中：δε为应力变化量；pe＝n
eff2
[p
2-μ(p1 p2)]/2，表示fbg材料的有效弹光系数，其中p1和p2为fbg材料的弹光系数；μ为fbg材料的泊松比。
[0090]
当应变和温度同时作用在fbg上时，λb发生漂移，漂移量为δλ＝λb(1-pe)δε λb(α ζ)δt
ꢀꢀꢀꢀ
(1-4)
[0091]
当山体发生滑坡引起传感器间发生纵向位移，或防护网因落石受力时，钢丝绳和防护网对传感器产生的拉力为f，压缩弹簧的变化量为δω
[0092]
δω＝kf·fꢀꢀꢀꢀ
(1-5)
[0093]
其中kf为压缩弹簧的劲度系数
[0094]
由于压缩弹簧的变化量即滑块的移动量，即悬臂梁的自由端发生的位移量。
[0095]
当悬臂梁的自由端发生位移量为δω时，应力光纤光栅受到的应力ε为
[0096][0097]
其中，b1、b2、l和d分别为悬臂梁的上下底的宽度、长度和厚度；c是一常数，与悬臂梁的上下底的宽度之比有关。当b2/b1较大时，悬臂梁可近似等效为等强度梁。
[0098]
综上所述，沿轴向粘贴在悬臂梁表面上的应力光纤光栅的反射中心波长漂移量与作用在传感器滑块上的拉力f可以表示为
[0099][0100]
可通过测量光纤光栅的反射中心波长确定传感器四个方向上传感器受到的拉力大小。
[0101]
本实施例的该防护装置的具体实施过程为：
[0102]
第一步：在需要监控和防护的边坡制作好抗滑桩，抗滑桩。
[0103]
第二步：在抗滑桩上固定传感器，并在传感器的横向距离上挂上防护网用于小面积崩塌和落石的防护及监测，在传感器的纵向距离上连接钢丝绳用于大面积滑坡的监测，安装后传感器具有一定的预应力。
[0104]
第三步：标定温补光纤光栅的波长λw和应力光纤光栅的波长λb。
[0105]
第四步：实时测量光纤光栅的变化量，将温补光纤光栅的波长变化量δλw，代入公式δλ
w-λw(α ζ)δt可以得到温度变化量δt。
[0106]
第五步：将测得的应力光纤光栅波长漂移量δλ和第四步得到的温度变化量δt代入公式既可得到待测拉力f。
[0107]
第六步：当测得的拉力变大或变小时，可知发生了崩塌或大面积滑坡，需要及时安排人员排除险情。
[0108]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。