基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置

摘要

本发明提供一种基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置，包括微型光纤F-P腔压力传感器、光纤、通液管、储液容器和光纤光栅解调仪，微型光纤F-P腔压力传感器安装在通液管的管道内，微型光纤F-P腔压力传感器通过光纤从通液管的管道经由通液管接口和光纤引出孔穿过储液容器并引出至光纤光栅解调仪，通液管和储液容器内置有传压液体，储液容器内的传压液体的液面高度高于微型光纤F-P腔压力传感器的高度。该装置具有结构简单、安装方便、传输距离远和测量可靠性高等优点，并能在环境恶劣的条件下实现尾矿坝以及各种土石体的沉降监测。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土及工程结构安全监测技术领域，特别是一种基于光纤F-P腔压力传感器 的一体化沉降监测装置，适用于土石坝坝基剖面的不均匀沉降监测，以及公路路基、土体回 填区域的相对沉降监测。

背景技术

在岩土及工程结构安全监测领域中，传统可远程传输的土体或结构沉降监测设备有两种： 适用埋入安装的基于压力传感器的液压式沉降仪和适用于表面安装的静力水准仪，但这些设 备存在量程大分辨力低、或分辨力高量程却很小，大大限制了其应用环境，并且，由于尺寸 较大部件较多存在安装或组装繁琐等问题。

利用压差测量原理的传统沉降监测装置的结构如图1所示，通常由电测类压力传感器 101、信号传输电缆102、通液管103、通气管104、储液容器105及数据采集设备106等组 成。位于被监测点的电测类压力传感器101通过通液管103、通气管104以及信号传输电缆 102连接到人员可操作的观测站107，并且信号传输电缆102连接到数据采集设备106，通液 管103、通气管104分别连接到设置在观测站107的储液容器105底端和顶端，储液容器105 及通液管103内注满液体。而储液容器105固定在比电测类压力传感器101更高的位置上以 与电测类压力传感器101之间形成压差H。假定观测站107是稳定的并且以其为基准，当电 测类压力传感器101相对于观测站107即储液容器105产生相对沉降或抬升时，被监测点处 液体的压力将发生改变并被电测类压力传感器101的压力敏感元件1011所感应，由压力敏感 元件1011转换为电信号后经信号传输电缆102传出到数据采集设备106，通过检测压力信号 的变化，即可获取该测点在垂直方向的沉降或抬升量。

上述基于电测类压力传感器的沉降监测装置采用简单的方式获取了被监测点相对于观测 站基准的沉降变化，并通过信号传输电缆实现远程遥测。但该这类装置的结构由于管线众多 使得安装调试非常复杂，且电测类压力传感器的信号传输距离有限，且存在如下缺点：1)每 个监测点必须各自配置一条通液管、通气管、信号传输电缆，监测点数越多配置管线越多， 安装繁琐，保护也困难；2)电测类压力传感器的量程范围与测量分辨力成反比，应用范围受 限；3)由于采用电信号传输，易于遭受雷击或电磁干扰；4)且传输距离有限，通常在千米 以下。

发明内容

本发明针对现有的沉降监测装置存在的缺点和不足，提供一种新型的基于光纤F-P腔压 力传感器的一体化沉降监测装置，该装置具有结构简单、安装方便、传输距离远和测量可靠 性高等优点，并能在环境恶劣的条件下实现尾矿坝以及各种土石体的沉降监测。

本发明的技术方案如下：

基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置，其特征在于，包括微型光纤F-P腔 压力传感器、光纤、通液管、储液容器和光纤光栅解调仪，所述微型光纤F-P腔压力传感器 安装在通液管的管道内，所述储液容器底端设置通液管接口并通过所述通液管接口与通液管 的一端连通，所述通液管的另一端密封，所述储液容器的上方设置光纤引出孔以及可开启和 关闭的注液孔，所述微型光纤F-P腔压力传感器通过光纤从通液管的管道经由通液管接口和 光纤引出孔穿过储液容器并引出至光纤光栅解调仪，所述通液管和储液容器内置有传压液体， 储液容器内的传压液体的液面高度高于微型光纤F-P腔压力传感器的高度。

所述微型光纤F-P腔压力传感器在通液管的管道内设置有两个以上，所述光纤的数量与 微型光纤F-P腔压力传感器相同，各微型光纤F-P腔压力传感器均通过各自连接的光纤从通 液管的管道经由通液管接口和光纤引出孔穿过储液容器并引出至光纤光栅解调仪。

所述微型光纤F-P腔压力传感器的直径小于等于5mm，所述通液管的内径小于等于 25mm。

所述通液管为透明或半透明的且耐腐蚀的塑料软管，所述通液管的一端与储液容器连通， 另一端通过堵头封闭。

所述光纤为覆膜的单模光纤，所述单模光纤的一端与微型光纤F-P腔压力传感器连接， 另一端与光纤光栅解调仪连接。

还包括在储液容器附近设置的大气压力传感器，所述大气压力传感器与光纤光栅解调仪 相连。

所述传压液体为无腐蚀液体。

所述传压液体为乙醇与水混合或乙二醇与水混合的除去空气的去气液体。

所述传压液体在储液容器中的液面高度为储液容器内部空间高度的1/3～2/3处。

所述储液容器设置在观测站或相对稳定的位置。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置，设置微型光纤F-P腔 压力传感器、光纤、通液管、储液容器和光纤光栅解调仪，微型光纤F-P腔压力传感器安装 在通液管的管道内，储液容器与通液管连通，微型光纤F-P腔压力传感器通过光纤从通液管 的管道经由通液管接口和光纤引出孔穿过储液容器并引出至光纤光栅解调仪，当微型光纤F-P 腔压力传感器作为被监测点产生相对于储液容器的沉降变化时，微型光纤F-P腔压力传感器 与储液容器之间因高差改变导致压差变化，其压差变化量通过微型光纤F-P腔压力传感器感 应并通过光纤传输到远端的光纤光栅解调仪接收，通过测量微型光纤F-P腔压力传感器的压 力变化，即可获取被监测点沉降量的变化，并通过远端的光纤光栅解调仪记录或显示。由于 将微型光纤F-P腔压力传感器及光纤均内置在通液管的管道内，这样，本发明装置结构简单， 其外观就是一根管道(即通液管的管道)，所有的微型光纤F-P腔压力传感器及相应光纤均内 置在管道内形成一体化结构，现场安装时只需将该管道平铺在任何需要沉降监测的位置，简 化了安装调试工作量，避免了现有技术存在的配置管线多以及安装烦琐保护困难的问题，本 发明在通液管内安装体积小巧的微型光纤F-P腔压力传感器，每个装置中的该微型光纤F-P 腔压力传感器的数量几乎没有限制，相对于传统的电测类压力传感器，微型光纤F-P腔压力 传感器输出范围更大，分辨力更高，适用范围广，并且内置微型光纤F-P腔压力传感器和光 纤的通液管可盘成整卷以方便运输，在使用时只需将盘成卷的通液管展开、固定储液容器、 灌注传压液体以及简单的排气操作即可投入使用，大大加快安装速度；并且由于使用光纤传 输信号，无任何中继条件下传输距离可达25km以上，传输距离远，适合安装在一些人员无 法接近的危险环境或潜在的不安全区域，且可以实现在环境恶劣的条件下实现尾矿坝以及各 种土石体的沉降监测。

本发明的一体化沉降监测装置可采用两个以上的微型光纤F-P腔压力传感器和相应个数 的光纤，各微型光纤F-P腔压力传感器均安装在通液管的管道内，并均通过各自连接的光纤 从通液管的管道经由通液管接口和光纤引出孔穿过储液容器并引出至光纤光栅解调仪，由于 各微型光纤F-P腔压力传感器和相应的光纤均设置在通液管内，故不影响一体化沉降监测装 置的管道外观一体化结构，运输和安装均十分方便，该装置的结构简单，通过一个储液容器、 一根通液管和多个在不同土石体位置监测点设置的微型光纤F-P腔压力传感器配合工作，直 接实现多个监测点的沉降监测。

附图说明

图1为传统沉降监测装置的结构示意图。

图2为本发明基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置的结构示意图。

图3为本发明基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

101－电测类压力传感器；1011－压力敏感元件；102－信号传输电缆；103－通液管；104 －通气管；105－储液容器；106－数据采集设备；107－观测站；1－微型光纤F-P腔压力传 感器；2－光纤；3－通液管；301－密封堵头；4－传压液体；5－储液容器；501－光纤引出 孔；502－注液孔；503－通液管接口；6－光纤光栅解调仪；7－大气压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置，其结构如图2所示， 包括微型光纤F-P腔压力传感器1、光纤2、通液管3、储液容器5和光纤光栅解调仪6，微 型光纤F-P腔压力传感器1安装在通液管3的管道内，储液容器5底端设置通液管接口503 并通过该通液管接口503与通液管3的一端连通，通液管3的另一端密封，储液容器5的上 方设置有光纤引出孔501以及可开启和关闭的注液孔502，微型光纤F-P腔压力传感器1通 过光纤2从通液管3的管道经由通液管接口503和光纤引出孔501穿过储液容器5并引出至 光纤光栅解调仪6，通液管3和储液容器5内置有传压液体4，该传压液体4从储液容器5上 的注液孔502注入，储液容器5内的传压液体4的高度高于微型光纤F-P腔压力传感器1的 高度。

本发明所述装置核心元件是采用体积较小的微型光纤F-P腔压力传感器1，内置于通液 管3内形成一体化结构，通过光纤2实现远程传输，并能实现远程遥测。微型光纤F-P腔压 力传感器1是通过微电子机械工艺制造的一种微型尺寸的光纤F-P腔压力传感器，基于光纤 F-P腔原理制造的压力传感器用于测量液体压力的变化，微型光纤F-P腔压力传感器1输出范 围大，分辨力高，性能稳定，适用范围广，其尺寸可以做到直径5mm以下，即优选微型光纤 F-P腔压力传感器1的直径小于等于5mm，可以置于较小的安装空间中。光纤2可采用覆膜 的单模光纤，该单模光纤的一端与微型光纤F-P腔压力传感器1连接，另一端与光纤光栅解 调仪6连接，通过单模光纤传输信号，传输距离远。通液管3优选采用透明或半透明的且耐 腐蚀的塑料软管，以便盘成整卷运输和展开使用，并可直接观察到内部安装的微型光纤F-P 腔压力传感器1，该通液管3的一端与储液容器5连通，另一端通过密封堵头301封闭防止 漏液，通液管3同时充当微型光纤F-P腔压力传感器1和光纤2的保护管，通液管3的内径 小于等于25mm，即微型光纤F-P腔压力传感器1可安装在内径25mm或更小直径的塑料软 管的管道内，将微型光纤F-P腔压力传感器1和光纤2内置在通液管3中，形成一体化结构， 可盘成整卷运输并在使用时将盘成的卷展开，安装运输方便，并且由于通液管耐腐蚀，可以 方便地安装在一些人员无法接近的有化学腐蚀环境或在其它环境恶劣的条件下实现尾矿坝以 及各种土石体的沉降监测。

传压液体4为储液容器5上的注液孔502注入，由于储液容器5与通液管3相连通，故 通液管3内全部充满传压液体4，储液容器5内也填充传压液体4，可将传压液体4在储液容 器5中的液面高度在储液容器5内部空间高度的1/3～2/3处，进一步优选在储液容器5内充有 约一半高度的传压液体4。传压液体4优选为无腐蚀液体，如乙醇与水混合而成或乙二醇与 水混合而成的液体，微型光纤F-P腔压力传感器1及光纤2可以完全浸没在无腐蚀的传压液 体4中使用，且不会遭受雷击，此外，传压液体4是经过除气工艺处理的除去空气的去气液 体，以在规定的工作温度范围内不会冻结，也不会产生气泡或析出气体。储液容器5与通液 管3连通，储液容器5上的注液孔502在灌注完毕后是密封的，一旦安装完毕，注液孔502 是开启的，即与外界大气保持连通状态。内置有微型光纤F-P腔压力传感器1及光纤2的通 液管3铺在现场需要沉降监测的位置，微型光纤F-P腔压力传感器1作为监测点，储液容器 5设置在观测站或相对稳定的位置作为基准点，储液容器5内的传压液体4的高度高于微型 光纤F-P腔压力传感器1的高度，微型光纤F-P腔压力传感器1通过光纤2引至设置于远端 的光纤光栅解调仪6上。

本申请所述装置中的微型光纤F-P腔压力传感器1的数量几乎没有限制，即通液管3内 允许设置一个或多个微型光纤F-P腔压力传感器1，可设置如图2所示的一个，也可以如图3 所示的优选结构设置两个以上，在图3所示结构中，在通液管3的管道内不同位置布置的各 微型光纤F-P腔压力传感器1对应连接有长度不等的光纤2，光纤2的数量与微型光纤F-P 腔压力传感器1相同，各微型光纤F-P腔压力传感器1按照设计的位置布置在通液管3中， 并且均通过各自连接的光纤2从通液管3的管道经由通液管接口503和光纤引出孔501穿过 储液容器5并均引出至远端的光纤光栅解调仪6，优选还在储液容器5附近设置大气压力传 感器7用来测量大气压力的变化，该大气压力传感器7与光纤光栅解调仪6相连。储液容器 5内部与通液管3连通，储液容器外部与外界大气相通，故可理解为是通液管3与储液容器5 内外部都是连通的，各微型光纤F-P腔压力传感器1及相应的光纤2均浸没在无腐蚀的传压 液体4中使用，通过一个储液容器5、一根通液管3和多个在不同土石体位置监测点设置的 微型光纤F-P腔压力传感器1配合工作，以获取多个监测点的微型光纤F-P腔压力传感器1 的压力，直接实现多个监测点的沉降监测。

本发明基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置，除了传压液体4允许在工厂 或在现场灌注完成外，所有部件在工厂可组装成一个整体并盘成一卷以方便运输。使用时， 用户在现场将一体化沉降监测装置的通液管3(内置微型光纤F-P腔压力传感器1及光纤2) 展开平铺在任何需要沉降监测的位置，并将储液容器5固定在观测站的墙壁上，保持安装高 度必须高于微型光纤F-P腔压力传感器1的位置，通过储液容器5的注液孔502向储液容器 5也即通液管3内灌注传压液体4并排除管道内的空气，最后保持储液容器5内液面高度为 容器高度的1/3～2/3，储液容器5内的传压液体4的液面高度高于通液管3的管道内任一微型 光纤F-P腔压力传感器1的高度。

当微型光纤F-P腔压力传感器1作为被监测点产生相对于储液容器5的向下沉降时，微 型光纤F-P腔压力传感器1与储液容器5之间因高差改变导致压差变化，其压差变化量通过 微型光纤F-P腔压力传感器1感应并通过光纤2传输到远端的光纤光栅解调仪6接收，通过 测量微型光纤F-P腔压力传感器1的压力变化，即可获取被监测点沉降量的变化，并通过远 端的光纤光栅解调仪6记录或显示。

由于大气压力也会通过传压液体4施加到管道内所有微型光纤F-P腔压力传感器1上而 产生附加影响，因此在储液容器5附近设置大气压力传感器7用来测量大气压力的变化(优 选可以设置另外一只微型光纤F-P腔压力传感器来测量大气的压力及变化)，以便光纤光栅解 调仪6通过计算的方法来抵消通液管3的管道内的所有微型光纤F-P腔压力传感器1因大气 压力的产生的附加影响。

本发明基于光纤F-P腔压力传感器的一体化沉降监测装置具有一体化的管装结构，所有 微型光纤F-P腔压力传感器(简称传感器)及光纤均内置在通液管中并盘成一卷即可交付用 户使用；内置体积小巧的微型光纤F-P腔压力传感器，每个装置中的传感器数量几乎没有限 制；相对于传统电测类压力传感器，微型光纤F-P腔压力传感器输出范围更大，分辨力更高， 适用范围广；使用时只需将盘成卷的装置展开、固定储液容器、灌注传压液体以及简单的排 气操作即可投入使用，大大加快安装速度；使用光纤传输信号，传输距离远，无任何中继条 件下传输距离可达25km以上，适用于土石坝坝基剖面的不均匀沉降监测，以及公路路基、 土体回填区域的相对沉降监测，并可方便地安装在一些人员无法接近的有化学腐蚀环境或危 险环境或潜在的不安全区域长期监测。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造， 但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进 行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等 同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本 发明创造专利的保护范围当中。