累积变形和突发变形同时测量的光纤光栅测斜技术研究
发布时间：2021-01-28 11:20
近年来,由于高速公路、铁路等基础设施的建设,大量的土体和山体被开挖,形成了大量的边坡。边坡在遭遇雷雨天气、风暴潮、人类活动时极易发生滑坡。滑坡灾害会造成大量的人员伤亡和财产损失,因此对边坡实行安全监测是具有非常重要意义的。然而,传统的监测仪器大都采用的是电测斜仪,电测斜仪极易受到电磁场的干扰,并需人工到边坡现场记录数据,自动化程度较低,无法达到实时监测。而光纤光栅技术具有抗电磁干扰、抗腐蚀、远程监测、体小质轻、串接复用等优点,近年来被广泛的应用在边坡的监测中。目前基于光纤光栅的测斜技术主要监测边坡的累积变形,而对于边坡因特殊情况发生整体移动或突发变形时不能及时的监测和预警。此外,大部分测斜装置埋入边坡后无法取出再利用,增加了监测成本。针对上述问题,本文研究了一种累积变形和突发变形同时测量的光纤光栅测斜技术,具体工作如下:（1）调研了边坡安全监测的方法和传感设备,将各种方法进行对比,总结并分析了目前一些监测设备存在的问题,针对现有的一些问题对基于光纤光栅的测斜仪做出了初步的设计构想。（2）开发了一种累积变形和突发变形同时测量的光纤光栅测斜仪,利用自差分温度补偿法,解决了温度干扰问题。测斜...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同结构倾角传感器[41][42][43]
武汉科技大学硕士学位论文5增敏式倾角传感器，结构如图1.3所示，将预拉伸的FBG粘贴在专门设计在等强度梁上的凸台上，等强度梁的下端固定重物块。当有倾角发生时，重物块就会带动悬臂梁发生变化，通过悬臂梁上FBG的波长变化判断倾角的大校实验结果表面该测斜仪在量程-30°~30°的灵敏度为20.102pm/°，倾角测量分辨率可达0.005°。增敏式倾角传感器不仅有较高的灵敏度和分辨率，密封性也较好可适用一些恶劣的环境，但唯一不足的是没有温度补偿装置，这将会限制传感器的应用。图1.3增敏式倾角传感器[44]为了解决温度补偿问题，2017年，谢等[45]提出了一种水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器，结构如图1.4所示。当有倾角产生时，装在水银柱的水银会发生移动，从而推动活塞传力杆对等强度悬臂梁施加压力，等强度悬臂梁的两侧粘贴有FBG，将2根FBG的差值作为输出信号可消除温度的影响。实验结果表明传感器的测量范围为0°~40°，测量灵敏度为21.8pm/°。该倾角传感器虽然很好的解决了温补的问题，但是传感器内部的水银一旦泄露就会对人造成一定的伤害。同年，侯等[46]提出了差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器，其结构如图1.5所示。由图1.5可以看出主要的创新点是利用了杠杆原理提高了倾角传感器的灵敏度，结果表明在-40°~40°时的灵敏度为28.6pm/°。图1.4水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器[45]SupportcolumnFBG1ForcetransmittingrodForcepistonSensorshellMercurycolumnsupportMercuryBeamofconstantstrengthFBG2ExportfiberEqualstrengthbeamShellMassblockFBG
武汉科技大学硕士学位论文6图1.5差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[46]为提高传感器的灵敏度，学者也是在不断的研究。2019年，Xu等[47]人提出了灵敏度高达406.6pm/°的倾角传感器，其结构如图1.6所示。将预拉伸的FBG的一端粘贴在上压板上，另一端粘贴在下压板上，下压板固定在一个铅质的摆锤上，当倾角产生时，压板两侧的FBGs一个拉力增大一个拉力减小，通过2根FBGs波长漂移量来反推出倾角变化的大校为了剔除温度的影响采用了自差分补偿法，将2根FBGs波长漂移量差值作为输出信号。该传感器虽具有较高的灵敏度但是其量程只是在-3°~3°之间。图1.6高精度FBG倾角传感器[47]一般倾角传感器会随着测斜管放入边坡的钻孔中，由于外力和安装手法的影响，测斜管在安装过程中会发生扭曲的现象，这将会严重的影响传感器的测量。为了解决这个问题，2018年，Maheshwari[48]提出了一种新型的基于FBG的倾角传感器，如图1.7所示。该倾角传感器主要是由圆柱形的壳体，质量块，FBG组成，CantileverbeamExportfiberShellMassballRotationaxisAxlecoreForcetransmittingrodFBG1FBG2UppercoversheetPressingplateSupportUppersupportLowersupportFBGPendulumBodycaseLowercoverplate
【参考文献】：
期刊论文
[1]GPS/BDS精密单点定位技术在滑坡变形监测中的应用研究[J]. 彭凤友,聂桂根,薛长虎,武曙光,李海洋,汪晶,刘文轩. 导航定位与授时. 2019(06)
[2]露天矿山边坡深孔位移及地下水位监测系统设计及实施[J]. 郁平,任浩. 矿业工程. 2019(03)
[3]Hybrid fiber Bragg grating sensor for vibration and temperature monitoring of a train bearing[J]. 王小峰,郭永兴,熊丽. Chinese Optics Letters. 2018(07)
[4]基于BOTDA的岩质边坡锚杆变形规律分析[J]. 鲁洪强,高俊启,任强,吴佳骐. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2017(02)
[5]差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[J]. 侯赛邦,谢涛,李川. 传感器与微系统. 2017(05)
[6]削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究[J]. 宋占璞,施斌,汪义龙,严珺凡. 工程地质学报. 2016(06)
[7]基于FBG倾角传感器的分布式测斜技术及其在边坡抗滑桩中的应用研究[J]. 李贝,张大伟,李公法,郭永兴,孙瑛,孔建益,蒋国璋. 武汉科技大学学报. 2016(06)
[8]水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器[J]. 谢涛,王行,李川,田素辉,赵振刚,李英娜. 光学学报. 2017(03)
[9]近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用[J]. 谢冬冬,杨德宏. 价值工程. 2016(21)
[10]利用近景摄影测量技术监测红旗沟排土场边坡位移变形[J]. 毛斌斌,张强,徐豪,葛涛. 现代矿业. 2016(05)
硕士论文
[1]近景摄影测量在边坡监测中的应用研究[D]. 唐旭.南京理工大学 2016
[2]光纤光栅传感技术在管道滑坡监测中的应用研究[D]. 马云宾.长安大学 2009
本文编号：3004905
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同结构倾角传感器[41][42][43]
武汉科技大学硕士学位论文5增敏式倾角传感器，结构如图1.3所示，将预拉伸的FBG粘贴在专门设计在等强度梁上的凸台上，等强度梁的下端固定重物块。当有倾角发生时，重物块就会带动悬臂梁发生变化，通过悬臂梁上FBG的波长变化判断倾角的大校实验结果表面该测斜仪在量程-30°~30°的灵敏度为20.102pm/°，倾角测量分辨率可达0.005°。增敏式倾角传感器不仅有较高的灵敏度和分辨率，密封性也较好可适用一些恶劣的环境，但唯一不足的是没有温度补偿装置，这将会限制传感器的应用。图1.3增敏式倾角传感器[44]为了解决温度补偿问题，2017年，谢等[45]提出了一种水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器，结构如图1.4所示。当有倾角产生时，装在水银柱的水银会发生移动，从而推动活塞传力杆对等强度悬臂梁施加压力，等强度悬臂梁的两侧粘贴有FBG，将2根FBG的差值作为输出信号可消除温度的影响。实验结果表明传感器的测量范围为0°~40°，测量灵敏度为21.8pm/°。该倾角传感器虽然很好的解决了温补的问题，但是传感器内部的水银一旦泄露就会对人造成一定的伤害。同年，侯等[46]提出了差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器，其结构如图1.5所示。由图1.5可以看出主要的创新点是利用了杠杆原理提高了倾角传感器的灵敏度，结果表明在-40°~40°时的灵敏度为28.6pm/°。图1.4水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器[45]SupportcolumnFBG1ForcetransmittingrodForcepistonSensorshellMercurycolumnsupportMercuryBeamofconstantstrengthFBG2ExportfiberEqualstrengthbeamShellMassblockFBG
武汉科技大学硕士学位论文6图1.5差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[46]为提高传感器的灵敏度，学者也是在不断的研究。2019年，Xu等[47]人提出了灵敏度高达406.6pm/°的倾角传感器，其结构如图1.6所示。将预拉伸的FBG的一端粘贴在上压板上，另一端粘贴在下压板上，下压板固定在一个铅质的摆锤上，当倾角产生时，压板两侧的FBGs一个拉力增大一个拉力减小，通过2根FBGs波长漂移量来反推出倾角变化的大校为了剔除温度的影响采用了自差分补偿法，将2根FBGs波长漂移量差值作为输出信号。该传感器虽具有较高的灵敏度但是其量程只是在-3°~3°之间。图1.6高精度FBG倾角传感器[47]一般倾角传感器会随着测斜管放入边坡的钻孔中，由于外力和安装手法的影响，测斜管在安装过程中会发生扭曲的现象，这将会严重的影响传感器的测量。为了解决这个问题，2018年，Maheshwari[48]提出了一种新型的基于FBG的倾角传感器，如图1.7所示。该倾角传感器主要是由圆柱形的壳体，质量块，FBG组成，CantileverbeamExportfiberShellMassballRotationaxisAxlecoreForcetransmittingrodFBG1FBG2UppercoversheetPressingplateSupportUppersupportLowersupportFBGPendulumBodycaseLowercoverplate
【参考文献】：
期刊论文
[1]GPS/BDS精密单点定位技术在滑坡变形监测中的应用研究[J]. 彭凤友,聂桂根,薛长虎,武曙光,李海洋,汪晶,刘文轩. 导航定位与授时. 2019(06)
[2]露天矿山边坡深孔位移及地下水位监测系统设计及实施[J]. 郁平,任浩. 矿业工程. 2019(03)
[3]Hybrid fiber Bragg grating sensor for vibration and temperature monitoring of a train bearing[J]. 王小峰,郭永兴,熊丽. Chinese Optics Letters. 2018(07)
[4]基于BOTDA的岩质边坡锚杆变形规律分析[J]. 鲁洪强,高俊启,任强,吴佳骐. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2017(02)
[5]差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[J]. 侯赛邦,谢涛,李川. 传感器与微系统. 2017(05)
[6]削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究[J]. 宋占璞,施斌,汪义龙,严珺凡. 工程地质学报. 2016(06)
[7]基于FBG倾角传感器的分布式测斜技术及其在边坡抗滑桩中的应用研究[J]. 李贝,张大伟,李公法,郭永兴,孙瑛,孔建益,蒋国璋. 武汉科技大学学报. 2016(06)
[8]水银柱活塞差动式光纤布拉格光栅倾角传感器[J]. 谢涛,王行,李川,田素辉,赵振刚,李英娜. 光学学报. 2017(03)
[9]近景摄影技术在露天矿山边坡变形监测中的应用[J]. 谢冬冬,杨德宏. 价值工程. 2016(21)
[10]利用近景摄影测量技术监测红旗沟排土场边坡位移变形[J]. 毛斌斌,张强,徐豪,葛涛. 现代矿业. 2016(05)
硕士论文
[1]近景摄影测量在边坡监测中的应用研究[D]. 唐旭.南京理工大学 2016
[2]光纤光栅传感技术在管道滑坡监测中的应用研究[D]. 马云宾.长安大学 2009
本文编号：3004905
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