[發明專利]光纖光柵水土界面傳感器及其制作安裝方法

有效

• 申請號: 201310021035.9
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103076063A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 丁勇;方海東
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01F23/14
• 分類號: G01F23/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明涉及一種土木水利工程監測裝置，具體涉及一種光纖光柵水土界面傳感器及其制作安裝方法。

背景技術

水流對樁基的沖刷使橋墩附近的基礎被逐漸沖蝕是橋梁結構被破壞的重要原因之一。橋墩通常對于水流起阻礙作用，進而導致在橋墩附近水流流速過快并產生漩渦，沖蝕橋墩附近基礎，使橋梁處于不安全的狀態。這種狀態下的橋梁帶著隱患工作，又很難被發現。一旦橋梁由于沖刷產生破壞，這種破壞屬于脆性破壞，具有突然性，會引起嚴重后果。另一方面江河堤防是我國防洪工程體系的重要組成部分。目前我國建有各類堤防25萬km，其中主要堤防6.75萬km。我國堤防一般傍河而建堤線選擇受到河勢條件制約，地基多為第四紀松散沉積物，其物質組成、分布及厚度變化大，地質條件復雜。我國河流的堤岸沖刷和淤積現象十分普遍，如長江中下游的堤岸沖刷、北江大堤險段的堤腳淘刷等，堤岸沖刷嚴重威脅堤防安全。因此，沖刷和淤積對橋梁和堤岸造成的破壞已經成為研究的焦點。?

目前的沖刷和淤積監測方法主要有人工深度尺、聲納、雷達和時域反射計(TDR)等，但是這些方法在實際工程應用中具有很大局限性，比如有離線、精度低、穩定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點，難于實時、準確監測樁基和堤岸的沖刷和淤積狀態。?

光纖光柵傳感技術除了具有普通光纖傳感技術的本質防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、對電絕緣、無電傳輸等許多優點外，還有一些明顯優于其它光纖傳感技術的特點：波長編碼的數字式傳感，使用可靠性高，壽命長，能進行長期安全監測。由于以上優點，目前光纖測量已廣泛應用于結構的健康監測中。通過對國內外的相關專利文獻的查閱和分析來看，國內外對基于光纖光柵的沖刷和淤積監測系統研究較少，目前國內東南大學開發了一種長標距光纖光柵沖刷傳感器，該傳感器包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列。其原理是利用水流對彈性直桿作用而使得布設在彈性直桿上的位于泥層上方的長標距光纖光柵波長由應變作用發生較大變化，從而獲得沖刷深度。但是這種方法容易受到水下土體輸移的干擾。大連理工大學開發了一種基于光纖光柵的沖刷傳感器，其傳感探頭一旦由于沖刷而露出河床的時候，傳感器兩側將產生動水壓力，傳感探頭裝置兩側的膜片產生變形，帶動連桿的運動，并繼而帶動裝置內的等強度梁發生撓曲，并由封裝在等強度梁上的光纖光柵監測其應變，從而判斷有無沖刷。其原理是由于在動水中柱體繞流，在其迎流面和背流面分別產生正的和負的動水壓力，使得等強度梁發生變形。但是這種傳感器受探頭數量限制、無法精確測量水土界面位置，容易受到水下紊流干擾。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有高精確度、高耐久性、溫度自適應以及能夠抵御水土輸移干擾的光纖光柵水土界面傳感器及其制作安裝方法，用以監測水下由于沖刷、淤積等作用而造成的水土界面深度變化。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種光纖光柵水土界面傳感器包括固定架和測壓管；固定架包括保護段和錨固段，錨固段位于保護段底端，保護段是由L形型鋼焊接而成的格構式管架；錨固段為圓錐形，頂面設有圓形固定槽，保護段在固定槽范圍之內。測壓管豎直安裝在固定架保護段內。測壓管管身為方形（也可采用圓形），底面封閉，頂面設可封閉的注水口；四個側面中有一個側面為透水面，由透水板組成；其他三個側面為傳感面，沿縱向均勻布置相同的光纖光柵傳感探頭，承受管外的水土壓力和管內的水壓力。

針對不同的水文地質條件和測量要求，光纖光柵傳感探頭的形式有兩種：單膜式傳感探頭和雙膜式傳感探頭。

單膜式傳感探頭包括面板、背環、測壓膜、防水膜、刻寫在光纖導線上的光纖光柵、第一螺母和第二螺母；光纖導線的一端與光纖光柵相連，另一端從背環中引出；光纖光柵粘接在測壓膜和防水膜內側的中間部位；面板上開有一圓洞，圓洞面積為面板面積的1/2~4/5，背環為金屬環片，背環的內直徑與圓洞內直徑相同，測壓膜和防水膜固定在面板與背環之間，面板與背環通過第一螺母固定連接，單膜式傳感探頭通過第二螺母固定在測壓管管身上。