[发明专利]光纤光栅水土界面传感器及其制作安装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土木水利工程监测装置，具体涉及一种光纤光栅水土界面传感器及其制作安装方法。

背景技术

水流对桩基的冲刷使桥墩附近的基础被逐渐冲蚀是桥梁结构被破坏的重要原因之一。桥墩通常对于水流起阻碍作用，进而导致在桥墩附近水流流速过快并产生漩涡，冲蚀桥墩附近基础，使桥梁处于不安全的状态。这种状态下的桥梁带着隐患工作，又很难被发现。一旦桥梁由于冲刷产生破坏，这种破坏属于脆性破坏，具有突然性，会引起严重后果。另一方面江河堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分。目前我国建有各类堤防25万km，其中主要堤防6.75万km。我国堤防一般傍河而建堤线选择受到河势条件制约，地基多为第四纪松散沉积物，其物质组成、分布及厚度变化大，地质条件复杂。我国河流的堤岸冲刷和淤积现象十分普遍，如长江中下游的堤岸冲刷、北江大堤险段的堤脚淘刷等，堤岸冲刷严重威胁堤防安全。因此，冲刷和淤积对桥梁和堤岸造成的破坏已经成为研究的焦点。 

目前的冲刷和淤积监测方法主要有人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等，但是这些方法在实际工程应用中具有很大局限性，比如有离线、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点，难于实时、准确监测桩基和堤岸的冲刷和淤积状态。 

光纤光栅传感技术除了具有普通光纤传感技术的本质防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、对电绝缘、无电传输等许多优点外，还有一些明显优于其它光纤传感技术的特点：波长编码的数字式传感，使用可靠性高，寿命长，能进行长期安全监测。由于以上优点，目前光纤测量已广泛应用于结构的健康监测中。通过对国内外的相关专利文献的查阅和分析来看，国内外对基于光纤光栅的冲刷和淤积监测系统研究较少，目前国内东南大学开发了一种长标距光纤光栅冲刷传感器，该传感器包括弹性直杆和与弹性直杆封装为一体的长标距光纤光栅传感探头阵列。其原理是利用水流对弹性直杆作用而使得布设在弹性直杆上的位于泥层上方的长标距光纤光栅波长由应变作用发生较大变化，从而获得冲刷深度。但是这种方法容易受到水下土体输移的干扰。大连理工大学开发了一种基于光纤光栅的冲刷传感器，其传感探头一旦由于冲刷而露出河床的时候，传感器两侧将产生动水压力，传感探头装置两侧的膜片产生变形，带动连杆的运动，并继而带动装置内的等强度梁发生挠曲，并由封装在等强度梁上的光纤光栅监测其应变，从而判断有无冲刷。其原理是由于在动水中柱体绕流，在其迎流面和背流面分别产生正的和负的动水压力，使得等强度梁发生变形。但是这种传感器受探头数量限制、无法精确测量水土界面位置，容易受到水下紊流干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高精确度、高耐久性、温度自适应以及能够抵御水土输移干扰的光纤光栅水土界面传感器及其制作安装方法，用以监测水下由于冲刷、淤积等作用而造成的水土界面深度变化。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种光纤光栅水土界面传感器包括固定架和测压管；固定架包括保护段和锚固段，锚固段位于保护段底端，保护段是由L形型钢焊接而成的格构式管架；锚固段为圆锥形，顶面设有圆形固定槽，保护段在固定槽范围之内。测压管竖直安装在固定架保护段内。测压管管身为方形（也可采用圆形），底面封闭，顶面设可封闭的注水口；四个侧面中有一个侧面为透水面，由透水板组成；其他三个侧面为传感面，沿纵向均匀布置相同的光纤光栅传感探头，承受管外的水土压力和管内的水压力。

针对不同的水文地质条件和测量要求，光纤光栅传感探头的形式有两种：单膜式传感探头和双膜式传感探头。

单膜式传感探头包括面板、背环、测压膜、防水膜、刻写在光纤导线上的光纤光栅、第一螺母和第二螺母；光纤导线的一端与光纤光栅相连，另一端从背环中引出；光纤光栅粘接在测压膜和防水膜内侧的中间部位；面板上开有一圆洞，圆洞面积为面板面积的1/2~4/5，背环为金属环片，背环的内直径与圆洞内直径相同，测压膜和防水膜固定在面板与背环之间，面板与背环通过第一螺母固定连接，单膜式传感探头通过第二螺母固定在测压管管身上。