[发明专利]一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于，包括：

测量模块，基于光纤传感技术测量埋设于地基以下的监测梁上下表面应变分布，利用有限差分的方法根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布；

信号模块，采集所述应变分布数据及地基的沉降分布数据，与预设的预警值比较，当所采集的数据超过相应的预警值时，发送预警信息给接收模块；

接收模块，接收信号模块传来的预警信息；

所述测量模块包括埋设于地基以下的监测梁(3)，光纤波长不同的两种光纤传感器(4)分别布设于监测梁(3)的上、下表面，监测梁(3)的上、下表面还设有预拉的裸光纤(5)，光纤传感器(4)及裸光纤(5)通过室外用铠装光缆(6)连接数据采集仪(1)。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)为正方形截面空心聚氯乙烯梁。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述光纤传感器(4)在监测梁(3)的上、下表面等间距封装。

4.如权利要求1或3所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)的上、下表面等间距设有用于布设所述光纤传感器(4)的槽，所述光纤传感器(4)设于该槽内且通过涂抹均匀的环氧树脂封装。

5.如权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：多个所述监测梁(3)以并列的方式串联到一起，成阵列埋设于地基以下。

6.如权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)的上、下表面垂直于沉降发生的方向。

7.一种基于光纤传感技术的地基沉降测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～6所述的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，步骤为：

步骤1：布设监测系统

将多个安装有光纤传感器(4)的监测梁(3)以并列的方式串联到一起，埋设于地基以下；且各监测梁(3)上的光纤传感器(4)的波长不能重复；

步骤2：监测系统测试

利用光纤光栅解调仪对光纤传感器(4)的波长进行扫描测试，保证所有光纤传感器(4)工作良好；

步骤3：沉降分布计算

根据光纤传感器(4)的波长测量值，计算监测梁(3)上、下表面应变分布，利用有限差分的方法，根据所述应变分布计算监测梁(3)的挠度分布，即获得地基的沉降分布；

所述步骤3中，利用有限差分的方法，根据监测梁上、下表面应变分布计算地基的沉降分布的具体方法为：

利用光纤传感器将监测梁划分成n个长度为h的小单元，假定f(x-h),f(x),以及f(x+h)分别为在监测梁上x-h,x和x+h位置的沉降，f'(x)和f'(x-h)为在监测梁的位置x和x-h处的左一阶偏导数，则有：

f′(x)=1h[f(x+h)-f(x)]---(1)]]>

f′(x-h)=1h[f(x)-f(x-h)]---(2)]]>

用相同的方法可以计算沉降的二阶导数如下：

f′′=1h{1h[f(x+h)-f(x)]-1h[f(x)-f(x-h)]}=1h2[f(x+h)-2f(x)+f(x-h)]---(3)]]>

公式(3)是二阶常微分方程，同时对于纯弯梁，在小变形的情况下，沉降或挠度的二阶导数与梁的曲率k相等，即k～d²f/dx²＝f”，而曲率k又可由下式表示：

k=MEI=f′′---(4)]]>

同时考虑到以下的应变与弯矩以及梁的刚度的关系：

MEID2=ϵai-ϵbi2---(5)]]>

其中M,D,E以及I分别表示梁的弯矩、厚度、弹性模量以及惯性矩；ε_ai和ε_bi分别表示监测梁的上、下表面测量得到的应变大小；从公式(5)中可知，因为上、下光纤传感器同时处于相同的温度环境中，因此监测梁上、下表面应变的差可以消除温度对挠度计算的影响，因此不必进行温度补偿；合并公式(3)、(4)和(5)得到：

1h2[f(x+2h)-2f(x+h)+f(x)]=ϵai-ϵbiD---(6)]]>

给定假定的边界条件，设监测梁的两端是简支梁的边界条件，则相应的两端均无位移，以此作为边界条件，即可以计算监测梁产生的沉降。