深层水平位移监测传感器及位移监测系统的制作方法

1.本发明涉及自动化监测技术领域，尤其涉及一种深层水平位移监测传感器及位移监测系统。


背景技术：

2.当前，在边坡滑移、隧道施工、道路路基沉降、桥梁挠度、水利大坝沉降及侧移、建筑施工等多种实时监测项目中，监测内容主要涵盖深层位移和表面位移，以达到预警效果，并提示反馈信息，以及时消除安全隐患和施工质量的问题，保证生命财产安全。
3.例如，针对于深层位移的监测，目前行业内主要采用如下三种方法：第一，采用人工测斜仪，其优点是技术较为成熟，使用范围广，但缺点是需要测量工人手动操作，费时耗力；第二，采用列阵位移计，其优点是实现自动化无人监测，同时可修正较小幅度的测斜管扭转，但缺点是容易受到现场电磁干扰，影响测量精度；第三，采用常规的光纤光栅倾角测试仪，其优点是实现自动化监测，同时不受现场电磁干扰，但缺点是协同变形能力差，分布式解调仪价格高昂导致监测成本高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种深层水平位移监测传感器及位移监测系统，用于解决现有技术中操作费时耗力，受电磁干扰而造成测量精度低，协同形变能力差的问题。
5.为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提出一种深层水平位移监测传感器，其包括传感器单元，所述传感器单元包括：
6.第一金属套筒；
7.第二金属套筒，所述第二金属套筒与所述第一金属套筒在轴向间隔布置；
8.橡胶柱，所述橡胶柱的一端穿设在所述第一金属套筒内部，另一端穿设在所述第二金属套筒内，且所述橡胶柱形成有位于所述第一金属套筒与所述第二金属套筒的间隔中的露出形变段；
9.光纤，所述光纤沿轴向埋设于所述橡胶柱的内部；以及
10.弱光栅，所述弱光栅设置于所述设置在所述光纤上。
11.在其中一个实施例中，所述橡胶柱的外周壁与所述第一金属套筒的内筒壁紧密接触；所述橡胶柱的外周壁与所述第二金属套筒的内筒壁紧密接触。
12.在其中一个实施例中，所述橡胶柱开设有沿轴向延伸的容置孔，所述光纤穿设于所述容置孔内。
13.在其中一个实施例中，所述橡胶柱设置为实心结构。
14.在其中一个实施例中，所述深层水平位移监测传感器还包括支撑骨架，所述支撑骨架埋设于所述橡胶柱内部，且所述支撑骨架处于所述露出形变段的部位。
15.在其中一个实施例中，所述光纤设置于所述支撑骨架上；所述光纤设置为多根，多根所述光纤沿环向间隔围设于所述支撑骨架的外周。
16.在其中一个实施例中，所述支撑骨架包括骨架本体、第一骨架端头和第二骨架端头，所述骨架本体处于所述露出形变段的内部，所述第一骨架端头连接于所述骨架本体的长度方向的一端并处于所述第一金属套筒内部，所述第二骨架端头连接于所述骨架本体的长度方向的另一端并处于所述第二金属套筒内部。
17.在其中一个实施例中，所述第一骨架端头和所述第二骨架端头均设置为锥筒形结构，且两个锥筒形结构的小端与所述骨架本体连接，两个所述锥筒形结构的大端远离所述骨架本体设置。
18.在其中一个实施例中，所述传感器单元设置为多个，多个所述传感器单元依次串接。
19.一种位移监测系统，其包括：
20.如上所述的深层水平位移监测传感器；
21.数据采集设备，所述数据采集设备与所述深层水平位移监测传感器通讯连接；通讯设备，所述通讯设备与所述数据采集设备通讯连接；以及
22.监测云平台，所述监测云平台与所述通讯设备通讯连接。
23.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
24.上述方案的深层水平位移监测传感器具体由传感器单元构成，使用时首先将弱光栅与光纤加工为一体，而后整体装入橡胶柱内部，最后将橡胶柱分别与第一金属套筒和第二金属套筒配合嵌套组装，并使第一金属套筒与第二金属套筒间隔布置而使橡胶柱处于该间隔中的部位形成露出形变段。工作时，弱光栅与光纤相配合对目标进行测量，借助弱光栅解调采用ofdr(光频域反射)技术，不仅能够实现完全自动化监测作业，同时降低整体监测成本；此外，监测过程中第一金属套筒和第二金属套筒可起到屏蔽作用，防止受到监测现场环境中的电磁干扰，从而保证监测数据精度，降低误差；并且露出形变段使监测传感器具备形变能力，能够跟随位移、沉降等产生形变，可以保证监测变量的协调变形。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.其中：
27.图1为本技术一实施例所述的位移监测系统的结构组成图；
28.图2为本技术中传感器单元的结构示意图；
29.图3为图2的内部结构图；
30.图4为图3的右视结构示意图。
31.附图标记说明：
32.100、深层水平位移监测传感器；10、传感器单元；11、第一金属套筒；12、第二金属套筒；13、橡胶柱；131、露出形变段；14、光纤；15、弱光栅；16、支撑骨架；161、骨架本体；162、第一骨架端头；163、第二骨架端头；200、数据采集设备；300、通讯设备；400、监测云平台。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.如图1所示，为本技术实施例的一种位移监测系统，其应用于边坡滑移、隧道施工、道路路基沉降、桥梁挠度、水利大坝沉降及侧移、建筑施工等多种不同的实时监测项目中，监测内容主要涵盖深层位移和表面位移，以达到预警效果，并提示反馈信息，以及时消除安全隐患和施工质量的问题，保证生命财产安全。
38.本方案中，位移监测系统包括：深层水平位移监测传感器100、数据采集设备200、通讯设备300以及监测云平台400。所述数据采集设备200与所述深层水平位移监测传感器100通讯连接；所述通讯设备300与所述数据采集设备200通讯连接；所述监测云平台400与所述通讯设备300通讯连接。
39.其中，深层水平位移监测传感器100用于感测监测目标的水平位移，数据采集设备200用于从深层水平位移监测传感器100处采集监测数据，并将监测数据传输给通讯设备300；通讯设备300用于将监测数据进一步向监测云平台400传输；最终，监测云平台400对接收到的监测数据进行分析处理并予以管理。
40.具体地，如图2所示，为本技术一实施例展示的一种深层水平位移监测传感器100，其包括传感器单元10，所述传感器单元10包括：第一金属套筒11、第二金属套筒12、橡胶柱13、光纤14以及弱光栅15。
41.所述第二金属套筒12与所述第一金属套筒11在轴向间隔布置。可以理解的，在不受外力作用时，第一金属套筒11与第二金属套筒12呈同轴布置。当监测目标(如土层)发生位移时，第一金属套筒11与第二金属套筒12会发生相对错移或转动，此时两者不再同轴设置。
42.可选地，第一金属套筒11和第二金属套筒12采用的材质可以是但不限于不锈钢、铜、铝合金等其中的任意一种。
43.所述橡胶柱13的一端穿设在所述第一金属套筒11内部，另一端穿设在所述第二金属套筒12内，且所述橡胶柱13形成有位于所述第一金属套筒11与所述第二金属套筒12的间隔中的露出形变段131；所述光纤14沿轴向埋设于所述橡胶柱13的内部；所述弱光栅15设置于所述设置在所述光纤14上。
44.综上，实施本实施例技术方案将具有如下有益效果：上述方案的深层水平位移监测传感器100具体由传感器单元10构成，使用时首先将弱光栅15与光纤14加工为一体，而后整体装入橡胶柱13内部，最后将橡胶柱13分别与第一金属套筒11和第二金属套筒12配合嵌套组装，并使第一金属套筒11与第二金属套筒12间隔布置而使橡胶柱13处于该间隔中的部位形成露出形变段131。工作时，弱光栅15与光纤14相配合对目标进行测量，借助弱光栅15解调采用ofdr(光频域反射)技术，不仅能够实现完全自动化监测作业，同时降低整体监测成本；此外，监测过程中第一金属套筒11和第二金属套筒12可起到屏蔽作用，防止受到监测现场环境中的电磁干扰，从而保证监测数据精度，降低误差；并且露出形变段131使监测传感器具备形变能力，能够跟随位移、沉降等产生形变，可以保证监测变量的协调变形。
45.ofdr(光频域反射技术)是一种基于光纤14中瑞利散射的背向反射技术，光源发出的线性扫频光经耦合器分为两路，一路进入待测光纤14中，在光纤14各个位置上不断地产生瑞利散射信号，信号光是背向的，与另一路参考光耦合到探测器上进行相干混频。待测光纤14不同位置，光频率不同，信号光与参考光的频差也不同。光在光纤14中向前传输时，当光纤14中出现缺陷产生损耗时，不同位置处产生的瑞利散射信号便携带了这些损耗信息。对瑞利散射信号光进行频率检测，就能准确定位光纤14沿线出现的熔接点、弯曲、断点等。ofdr技术就是通过上述原理实现光纤14链路的诊断。
46.ofdr技术是利用扫频光源相干检测技术对光纤14中的光信号进行检测的一项技术，由于不受空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，其同时具备空间分辨率高(光学测量可达10μm)，动态范围大，测试灵敏度高等特点，适用于短距离高精度监测领域如光器件内部剖析、土木工程模拟试验、车辆结构研究等。
47.另外，弱光栅15与光纤14的制作具体采用在线写入光栅技术。该技术是在光纤14表面的聚合物涂覆之前，采用相位掩膜法将多个光栅一次写入，并根据实际的应用要求来决定各个光栅的写入间隔。其中支撑骨架16内部的光纤14光栅经预张拉保持紧致状态，能够保持其测试精度。
48.当然了，其它实施例中弱光纤14光栅列阵制作可采用人工连接光纤14光栅阵列技术和辅助剥层联接光纤14光栅中阵列技术来替换。
49.在一些实施例中，所述橡胶柱13的外周壁与所述第一金属套筒11的内筒壁紧密接触；所述橡胶柱13的外周壁与所述第二金属套筒12的内筒壁紧密接触。如此能够保证橡胶柱13、第一金属套筒11和第二金属套筒12组装稳定，同时连接强度高，保证三者的相对位置固定，以确保露出形变段131始终处于第一金属套筒11与第二金属套筒12之间的间隔中，使监测传感器具备优良形变能力。
50.此外，紧密接触后也可以将装配间隙消除，避免雨水等渗入第一金属套筒11和第二金属套筒12内部，对第一金属套筒11、第二金属套筒12和橡胶柱13造成腐蚀损害。
51.在一些实施例中，所述橡胶柱13开设有沿轴向延伸的容置孔，所述光纤14穿设于所述容置孔内。如此，光纤14的安装方式简单，与橡胶柱13连接可靠且牢固。
52.较佳地，本方案中所述橡胶柱13设置为实心结构。将橡胶柱13设计为实心结构，除了具备优良的弹性形变能力之外，橡胶柱13还保持一定的结构强度，避免受外力时发生过大形变、甚至发生折断。
53.此外，在上述任一实施例的基础上，所述深层水平位移监测传感器100还包括支撑骨架16，所述支撑骨架16埋设于所述橡胶柱13内部，且所述支撑骨架16处于所述露出形变段131的部位。支撑骨架16用于进一步加强橡胶柱13的露出形变段131强度，保证受外力作用时的变形能力佳。
54.所述光纤14设置于所述支撑骨架16上。使得光纤14能受到支撑骨架16的支撑，并保证安装稳定。较佳地，所述光纤14设置为多根，多根所述光纤14沿环向间隔围设于所述支撑骨架16的外周。采用多光纤14进行水平位移监测和监测信号传输，可靠性更高，其中任意一根光纤14损坏后，其余光纤14仍然能够保证正常工作。
55.在一些实施例中，所述支撑骨架16包括骨架本体161、第一骨架端头162和第二骨架端头163，所述骨架本体161处于所述露出形变段131的内部，所述第一骨架端头162连接于所述骨架本体161的长度方向的一端并处于所述第一金属套筒11内部，所述第二骨架端头163连接于所述骨架本体161的长度方向的另一端并处于所述第二金属套筒12内部。因此，支撑骨架16的结构简单，成型制造容易，成本低。
56.可以理解的，支撑骨架16可以选用直径较小的金属棒材通过焊接等方式加工而成。本实施例中支撑骨架16具体制作成圆柱体型，
57.进一步地，所述第一骨架端头162和所述第二骨架端头163均设置为锥筒形结构，且两个锥筒形结构的小端与所述骨架本体161连接，两个所述锥筒形结构的大端远离所述骨架本体161设置。如此，第一骨架端头162和第二骨架端头163与橡胶柱13的结合面积增大，连接会更加牢固，当露出形变段131发生弯曲形变时，支撑骨架16不容易发生移位，保证对露出形变段131的支撑效果。
58.可选地，本实施例中支撑骨架16采用刚度较小的铁架，其能够随深层土体位移而跟随露出形变段131发生变形。
59.此外，在上述任一实施例的基础上，所述传感器单元10设置为多个，多个所述传感器单元10依次串接。如此检测传感器能够获得更长的长度，可以对更深远的监测目标(如深层土体)可达，监测能力大幅提升，适用范围变广。
60.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
61.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。