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专利号: 2022115922783
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其包括插设件和分布式光纤,所述的插设件包括插设主体和导向头(3),在所述的插设主体的顶部和底部设置有保护罩,其特征在于:所述的分布式光纤在插设主体的径向方向上设置有若干段,其中每段分布式光纤均安装在所述的插设主体上,其中每段分布式光纤的水平方向上设置有呈周向排列的四个监测部;

每个监测部包括挡板(6)、带有金属齿条的杆体(7)、第一磁性齿轮(9)、第二磁性齿轮(10)、中空金属杆(13)、塑料杆(11)、连接器(12)、金属板(16)、反射镜面(14)、光纤(17)以及第二钢管(5),所述的挡板(6)位于带有金属齿条的杆体(7)的一端,且所述的挡板(6)在靠近岩土的一侧设置;在所述的挡板(6)的相对侧的带有金属齿条的杆体(7)上设置同轴运动的第一磁性齿轮(9)和第二磁性齿轮(10),所述的第一磁性齿轮(9)位于所述的第二磁性齿轮(10)的外侧,在所述的带有金属齿条的杆体(7)上设置所述的中空金属杆(13),所述的中空金属杆(13)上设置有与所述的第二磁性齿轮(10)相啮合的齿条,在所述的中空金属杆(13)的顶部设置所述的光纤(17);

在所述的光纤(17)的上方设置所述的金属板(16),所述的金属板(16)的底面设置与所述的光纤(17)始终保持垂直的反射镜面(14),所述的光纤(17)与所述的反射镜面(14)形成法珀腔,当所述的挡板(6)随着岩土变形发生位移时,带动所述的第一磁性齿轮(9)和第二磁性齿轮(10)做同轴转动,并引起反射镜面(14)与光纤(17)的间距发生改变;

所述的第二钢管(5)的外表面预留设置有四个孔洞,每个孔洞对应安装各自监测部上的带有金属齿条的杆体(7),每个带有金属齿条的杆体(7)可在对应的孔洞上无阻尼运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:所述的导向头(3)设置在所述的插设主体的底端;

四个监测部在其圆心方向上呈两两对称排布;在所述的插设主体的顶部的保护罩(2)的中心固定设置有第一钢管(4);

所述的插设主体为防止岩土进入分布式光纤内部的防水布(1),顶部的保护罩(2)、底部的保护罩与防水布(1)一起形成可阻挡岩土进入分布式光纤内部的密闭体;

所述的塑料杆(11)固定在所述的第二钢管(5)上,连接器(12)固定在所述的塑料杆(11)上;

所述的金属板(16)、第一钢管(4)、第二钢管(5)之间通过螺栓(8)固定连接在一起。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:四个监测部串联在一起,形成可对水平方向上岩土进行监测的监测网络,相邻段的分布式光纤连接在一起,形成可对垂直方向上岩土进行监测的监测网络。

4.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:在所述的中空金属杆(13)的顶端设置有固定卡箍(15),所述的固定卡箍(15)用于对光纤(17)进行固定。

5.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:所述的第二钢管(5)在所述的插设主体的横向方向上呈圆形设置。

6.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:在所述的挡板(6)的后方设置有用于增强挡板(6)刚度的第一传力臂(18)和第二传力臂(19)。

7.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪,其特征在于:所述的塑料杆(11)用环氧树脂粘结剂固定在所述的第二钢管(5)的内部,所述的连接器(12)用环氧树脂粘结剂固定在所述的塑料杆(11)上。

8.一种基于光纤传感器的岩土变形测量系统,其特征在于,包括微处理器、信息显示模块、电源模块、控制按键模块以及权利要求1~7任一项所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪;所述的微处理器用于将所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪得到的数据进行采集并运算,所述的信息显示模块、电源模块和控制按键模块与所述的微处理器进行连接。

9.一种基于光纤传感器的岩土变形测量方法,其特征在于,所述的测量方法依次包括以下步骤:

a、安装如权利要求1~7任一项所述的一种基于光纤传感器的岩土变形监测仪;

b、将所述的基于光纤传感器的岩土变形监测仪置于岩土中,当岩土发生变形时,带动所述的挡板(6)发生水平位移,此时带有金属齿条的杆体(7)带动所述的第一磁性齿轮(9)进行转动,第一磁性齿轮(9)带动与其同轴的第二磁性齿轮(10)进行转动;

c、通过第一磁性齿轮(9)和第二磁性齿轮(10)的转动形成的不同的半径比,可缩小或放大岩土的位移,第二磁性齿轮(10)带动与其相啮合的中空金属杆(13)做竖向位移,随着中空金属杆(13)的移动,位于其顶部的光纤(17)与所述的反射镜面(14)之间的间距缩小,通过分析光纤(17)和反射镜面(14)形成的法珀腔的腔长的变形量,进而得到中空金属杆(13)的位移量,通过第一磁性齿轮(9)和第二磁性齿轮(10)的半径比计算出岩土的实时变化量,计算如式(1)所示:干涉信号 表示为:

                  (1)

式中:和 分别为两反射面输入反射光的光强;

为中间介质折射率;

为法珀腔的腔长;

为波长;

 为两束反射光的相位差。

10.根据权利要求9所述的一种基于光纤传感器的岩土变形测量方法,其特征在于:所述的法珀腔的腔长是指光纤(17)和反射镜面(14)之间的距离。