基于光纤传感土体竖向位移监测装置设计

摘要：软土或吹填土土体在自重应力的作用以及外部建筑载荷的作用下，普遍会出现土体沉降且沉降不均匀现象，对于各种工程结构的安全稳定有较大影响，甚至引发地质灾害。基于光纤光栅技术设计的新型高精度地下深层土体沉降监测装置能够实现自动化实时监测，具有高精度，抗电磁干扰，可无线数据传输的特点，解决了现有测量装置操作复杂，度数精度差，易受电磁干扰的问题。

关键词：土体沉降；光纤传感；光纤光栅；实时监测

目前土体分层沉降的常用的测量方法有以下几种：LVDT配套变形板、机械式弹性位移计、磁环式分层沉降仪等。LVDT是一种直线位移传感器，测量过程中由于内部铁芯的移动，使得两次级线圈产生的感应电动势不等，在设计时将两线圈反串相接，此时LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，铁芯的位移值与输出的电压值呈线性关系[ 1 ]，LVDT的精度与测量量程相关，一般为量程的0.24%，所以不适合大范围位移的测量。而且由于LVDT为电感式传感器，实际使用中常常受到电磁干扰的影响，也会极大影响其工作精度。机械式弹性位移计主要是用百分表测试变形板的沉降[ 2 ]，弹力杆的变化使固定在位移计主体上的表盘上的指针转动，数据具有可靠性且精度较高，缺点是需要人工读数，不能全自动记录数据。同时弹性材料会随着时间变化产生不可逆的形变，对测量结果会产生影响。磁环式分层沉降仪[3]，在实际操作中常常会受到电磁干扰，且需要人工读取数据，极大程度地影响了测量的精度。不能够满足实时监测的需求。因此，研究新型的监测装置势在必行。

1新型土体竖向位移监测装置结构

竖向位移探测杆的大套管部分采用两个板块套管拼装的方式进行组装，边缘有配合固定的固定螺钉，拼装结构的设计便于套管内部结构的初期安装和布局，以及后期的调整及维护。该测量装置整体结构如图1所示，包括两个相对滑动的竖向位移探测杆，在滑动杆两端有与之固定的沉降板。位移转换装置为螺杆和齿轮一体的结构部件。两竖向位移探测杆为一大圆柱形金属套管和一小圆柱形金属杆，大套管内侧和小金属杆外侧有齿轮槽，两套管通過齿轮螺杆一体部件的齿轮部分连接，可以进行相对滑动，与齿轮平面垂直的方向上有一个带有螺纹的螺杆，螺杆两头的自由端与大套管管壁上的螺杆底座连接，其中螺杆底座上有与螺杆尺寸匹配的螺孔，当两竖向位移探测杆相对滑动时，带动齿轮转动，此时，齿轮转动带动螺杆在与齿轮转动面垂直方向有微小的移动。

位移传递装置需配合带孔传动杆一起使用，带孔传动杆为一中部带孔的金属杆，其作用是螺杆齿轮一体结构部件的螺杆穿过其通孔，两端被凸起部分固定，使传动杆在与带孔螺杆上不发生沿螺杆轴向的滑动，在螺杆沿轴向方向微小移动的过程中，带孔传动杆随着螺杆的移动产生相同方向相同位移大小的移动。传动杆的两端自由端放置在竖向位移探测杆大套管内部设计好的滑动槽内，滑动槽一方面限制传动杆移动的方向，另一方面起到承接作用。具体结构如图2所示。

螺杆部分中部有一部分不带螺纹的光滑表面，设计一端有部分突起用于承接带孔传动螺杆，将带孔传动杆套入后另一端通过紧固件固定带孔传动杆的位置。

光纤光栅安装位置位于竖向位移探测杆大套管内部的螺杆底座和带孔传动杆之间，方向与螺杆平行，一端与大套管内侧的螺杆底座通过胶粘剂固定，另一端与带孔传动杆一侧的杆部通过胶粘剂连接，这样保证了在螺杆沿轴向方向移动过程中光栅随之受到拉伸或压缩。光栅两端的通信光纤沿滑动杆方向布设，穿过固定板引出自由端，可实现多个传感装置的串联。

2新型监测装置的位移计算方法

3土体竖向位移测量装置的使用

初始状态下，齿轮螺杆一体传动部件的齿轮位于竖向位移探测杆大套管的中部适当位置，使得两探测杆在上下两个方向均可移动，移动范围由实际测试需要进行具体调整。螺杆部分位于竖向位移探测杆大套管内部两螺杆底座的中部位置，使之在沿螺杆轴向的两个方向均可移动，整个装置放入预先打好的沉降监测孔中，后进行回填，使得固定板被土壤掩埋，在发生沉降的过程中，固定板随着土体下沉一同下沉，并连带探测杆伸缩滑动。沉降装置的量程为S由螺杆上螺纹的导程s，以及光栅的极限拉伸长度L决定，实际应用过程中通过实际监测的土体沉降范围可对s进行调整，使位移转换装置达到合适的位移传动比，以满足需求。

光纤光栅两端通过通信光缆连接，沿探测杆方向布设在内部大套管内部及小圆柱杆内部，预先通过胶粘剂进行粘贴固定，从固定板中间传出，可实现多个沉降装置的依次串联连接，拓展整个系统的测量范围。串联系统的上端可接入光纤光栅解调仪进行信号解调，同一解调装置可同时解调多个串联系统。

4结论

新型土体竖向位移监测装置通过光纤串联形成一个完整的检测系统，可针对不同的实际监测需求进行监测。装置本身利用光纤光栅为主要传感器，不仅具有光纤光栅测量高精度，体积小，耦合性好，环境适应性强，易于维护和成本低等一列优越性，同时传动装置相对于传统的弹性部件易出现的非弹性变形相比，具有转换精度高、不易变形，易于安装、维护等优点。外部光纤光栅解调仪可通过与无线模块的连接对数据进行实时远程传输，配合报警系统可以及时对土体沉降产生的危险进行预知，以及可以通过远程控制对系统进行操作，实现无人值守，节省人力物力。

参考文献：

[1]林宪臣.高精度差动变压器式位移传感器静态特性的研究[D].天津：天津工业大学， 2019.

[2]陈志敏，冯亚松，薛智文.高地应力软岩隧道模型试验系统研发[C].中国土木工程学会2019年学术年会论文集.2019.

[3]张阿峰.电磁式自动化沉降仪测尺的改进技术[J].水力发电，2012，38（2）：86-88.

（作者简介： 魏一方，中国人民解放军92228部队助理工程师，研究方向为光纤传感应用）