[发明专利]一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统

权利要求书

1.一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括第一变形板(1)、固定板(2)、沉降杆(3)和第二变形板(6)，所述的沉降杆(3)设置在所述的第二变形板(6)上，所述的第一变形板(1)一端固定在固定板(2)上另一端与沉降杆(3)连接，其特征为，所述的第一变形板(1)中心位置设置有变形测试布拉格裸光栅(8)，所述的变形测试布拉格裸光栅(8)通过单模单芯光纤(10)连接温度补偿布拉格裸光栅(9)，所述的变形测试布拉格裸光栅(8)和所述的温度补偿布拉格裸光栅(9)都连接至布拉格光栅解调仪(11)，所述的沉降杆(3)分为上段部和下段部，所述的上段部和所述的下段部之间通过连接套管(5)连接，所述的连接套管(5)上还设置有附重块(7)，所述的下段部和所述的连接套管(5)上套设有沉降套管(4)，所述的沉降套管(4)顶部与所述的附重块(7)之间具有间隙，所述的第一变形板(1)为等腰三角形，所述第一变形板(1)的顶角与所述的沉降杆(3)顶部连接，在所述第一变形板(1)上与顶角相对的底边固定在所述的固定板(2)上，所述的变形测试布拉格裸光栅(8)设置在第一变形板(1)的中心线上，第一变形板(1)所布置土层发生的沉降为S，由于沉降杆外部套有沉降套管，第一变形板(1)和沉降杆可以无约束上下移动，则相应的第一变形板(1)的竖向位移同为S，同理第一变形板(1)的竖向位移通过沉降杆传递至第一变形板(1)的端部，则第一变形板(1)端部的挠度w也为S，假定第一变形板(1)端部的挠度为w时，第一变形板(1)所受沉降杆的集中力为F，第一变形板(1)的挠度微分方程w″(x)为：w″(x)式中x为第一变形板(1)任意位置距离固定板的水平距离，M(x)为x位置处的弯矩，I(x)为x位置处的惯性矩，E为弹性模量，w″(x)式中M(x)＝F·(l-x),I(x)＝(l-x)·B·h ^3/12l，I(x)式中B第一变形板(1)与固定板交接处的宽度，h为第一变形板(1)的厚度，l第一变形板(1)的长度，将M(x)以及I(x)代入挠度微分方程w″(x)得到：对w″(x)积分得到：

由于第一变形板(1)与固定板连接处为固定连接，因此当x＝0时，w″(x)＝0，w′(x)＝0,代入上述微分方程得到：C 1＝0，C 2＝0，则

由于第一变形板(1)端部的挠度w(l)即为第二变形板(6)的竖向位移S，为此有

由于第一变形板(1)端部集中力F的作用线，第一变形板(1)上部的应变ε为：W(x)为x位置处的抗弯刚度，则W(x)＝B·(l-x)·h 2/6l，将W(x)带入

可得

又可得

将F带入

可得对于应变ε的布拉格光栅测量原理如下：ε＝k·Δλ，式中k为布拉格光栅的应变ε随布拉格光栅波长变化值Δλ的变化系数，布拉格光栅波长变化值Δλ为：Δλ＝Δλ1-Δλ2式中：Δλ1为变形测试布拉格裸光栅的波长变化值，Δλ2为温度补偿布拉格裸光栅的波长变化值，且有：Δλ＝Δλ1-Δλ2＝(λ1′-λ1)-(λ2′-λ2)＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)，λ1′为沉降测试过程中变形测试布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的波长值，λ2′为沉降测试过程中温度补偿布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的波长值，λ1为沉降观测系统安装完成后变形测试布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪测试得到的初始波长值，Δλ2为沉降观测系统安装完成后温度补偿布拉格裸光栅在布拉格光栅解调仪上测试得到的初始波长值，布拉格光栅的波长和布拉格光栅的应变呈良好的线性惯性，其测试的精度能达到1με，据此将其代入式可以得到测量精度和第一变形板(1)的长度以及厚度有关系，将ε＝k·Δλ代入得到土体沉降随布拉格波长变化值变化系数将Δλ＝(λ1′-λ2′)-(λ1-λ2)代入可得布拉格裸光栅应变随布拉格裸光栅波长变化值变化系数k由布拉格裸光栅出厂参数提供，通过第一变形板(1)与土体的同步沉降来测量土体的沉降变形，而第一变形板(1)通过沉降杆与第二变形板(6)相连接，为了保证第一变形板(1)端部的挠度变形与土体的沉降变形同步，需保证在土体沉降过程中第一变形板(1)能够产生足够的挠度变形，而第一变形板(1)的挠度变形主要依托沉降杆、第一变形板(1)以及附重块的自重产生，为此沉降杆、第一变形板(1)以及附重块三者的自重和所能产生的第一变形板(1)挠度应在沉降观测系统的测量量程范围内，根据可得假定土体沉降最大量程S max，则有εmax为最大量程Smax所对应第一变形板(1)应变，将εmax代入

有这样F max就为沉降观测系统为达到量程为S max时所需附重块的最小附重。