差动式光纤Bragg光栅沉降仪

　　0　引　言

　　地表沉降观测就是根据定期测量变形量工作点的高程变化而计算出地表沉降量的方法[1, 2]。常用的水准测量方法耗时长,并且严重受限于人为因素和天气条件。因此,能实现自动化、远距离、长期监测的光纤传感器技术已成为地表变形测量的重要方法。这种方法的技术关键是将光纤传感器预埋入测试场地中的工程结构,从而将地表的变形量转换为结构的变形量,比如:利用摆锤的旋转对光强进行调制的反射型光纤传感器[3],利用混凝土桩中钢支撑笼的应力转换为光栅调制的光纤传感器[4],利用重力作用获取垂直旋转参量的长量规光纤传感器[5, 6],以及利用长量规光纤传感器获取结构体的局部变形量[5, 6]。

　　本文提出的差动式光纤Bragg光栅沉降仪,利用水准测量的观测墩,与测试现场的工程结构进行机械连接,就能将地表沉降量转换为传感光栅的Bragg波长移位。

　　1　差动式光纤Bragg光栅沉降仪的工作原理

　　差动式光纤Bragg光栅沉降仪的关键换能元件是等强度的三角形悬臂梁,其底部可固定于测量现场的固定平台,带V型槽结构的顶端通过刃口和挂钩与沉降墩挂接,参见图1。在悬臂梁的上、下表面分别粘贴着一只光纤Bragg光栅。混凝土沉降墩直接埋置于待测地点的地表,通过框形刃口挂在悬臂梁末端的V型槽。

　　在图1中,l为悬臂梁的长度、h为悬臂梁的厚度,B为悬臂梁底部的宽度,b为悬臂梁顶端的宽度,s为沉降量,α为悬臂梁的倾斜角。

　　当沉降发生时,沉降墩的地沉降s经螺杆、挂钩和刃口转换为悬臂梁的挠度d=s,参见图2。在该方案中,粘贴在悬臂梁上、下表面的光纤Bragg光栅分别受到ε和-ε的应变,却处于相同的温度场ΔT中,则温度变化T和应变ε可表示为传感光栅的Bragg波长移位[7~10]

　　式中Sε是光纤的应变敏感系数;ST是光纤的热敏感系数。该温度补偿方案属差动式机械补偿,其中,两枚光纤Bragg光栅具有相同的敏感系数。

　　当悬臂梁弯曲程度不大,即挠度d不大时,等强度梁的曲率半径ρ可视为常量,则等强度悬臂梁上各点的应变与挠度的关系可表示为[11]

　　式中d是梁末端的挠度值。因受力弯曲的等强度梁表面的曲率1/ρ相等,则等强度梁上的应变可表示为梁上任意位置l′处挠度d′的函数关系[11]

　　式中l′是测量点距等强度梁固定端处的距离;d′是该点处的挠度。把式(3)代入式(1),则沉降量可表示为传感光栅的Bragg波长的关系

　　式(4)表明,温度补偿的沉降量可通过对传感光栅的Bragg波长进行差动运算获得。