本實用新型基于光纖光柵技術，是一種對地下管廊沉降縫兩側結構相對沉降量進行實時監(jiān)測的傳感器，屬于光纖傳感技術領域。

背景技術：

城市地下綜合管廊是先于周邊地塊開發(fā)而規(guī)劃建設的城市地下綜合管廊網絡，解決了周邊地區(qū)開發(fā)和建成后運營中的能源需求問題。隨著周邊地塊的開發(fā)利用，尤其是深大基坑開挖和大范圍降地下承壓水，會引起已建成的地下綜合管廊發(fā)生沉降變形，若沉降縫兩側相對沉降量過大，可導致管廊內部各種工程管線的變形和開裂，影響電力、燃氣、供熱等正常供給，甚至發(fā)生重大安全事故。通過對地下管廊沉降縫兩側相對沉降量的實時監(jiān)測，可對周圍地塊基坑開挖速度與降水速度進行指導，對超限部位提前預警，避免引起管廊內部管線破壞，預防事故發(fā)生。光纖光柵傳感器因具有抗電磁干擾、耐腐蝕等特點，適用于地下復雜工程的長期健康監(jiān)測。因此，用于長期實時監(jiān)測地下管廊沉降縫兩側相對沉降狀態(tài)的光纖光柵位錯計有很好的工程應用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型涉及一種滿足地下管廊長期實時監(jiān)測要求，結構簡單，性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高、抗電磁干擾，可用于監(jiān)測地下管廊沉降縫兩側結構相對沉降狀態(tài)的光纖光柵位錯計。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型解決技術問題的技術方案是：

一種楔形結構光纖光柵位錯計，包括由滑動頭、懸臂梁、傳感光纖光柵、補償光纖光柵、傳動桿、限位板、螺栓、楔形塊、彈簧、保護外殼與固定片；

保護外殼為矩形盒式，側壁上設有用于滑動頭伸出的狹長活動縫，保護外殼內與活動縫對應的一側固定楔形塊；

滑動頭末端為U型板結構，該U型板卡到楔形塊上；在U型板上通過螺栓固接有兩個懸臂梁；兩個懸臂梁的活動端通過傳動桿連接在一起；將楔形塊斜面深入滑動頭凹槽內，使得傳動桿與楔形塊的斜面相接觸；限位板對稱固定于滑動頭伸出活動縫部分，用來防止活動頭水平運動；

保護外殼端面上固接有彈簧，彈簧另一端呈自由狀態(tài)與滑動頭抵接；

在滑動頭的U型板上設有補償光纖光柵，在懸臂梁上設有傳感光纖光柵；將滑動頭上開圓孔，用于傳感光纖光柵和補償光纖光柵的尾纖通過圓孔穿出，在尾纖套上光纖松套管。

本實用新型具有的優(yōu)點是：

1.可對關鍵部位進行自動實時監(jiān)測。

將位錯計與解調設備連接，可實現(xiàn)施工與運營維護全階段自動實時監(jiān)測，結合監(jiān)測系統(tǒng)可做到超限自動提示預警。

2.良好的環(huán)境適應能力。

本實用新型采用光纖布拉格光柵作為傳感元件，其具有抗電磁干擾、耐腐蝕、抗老化的特點，將其安置于地下管廊中可以抵抗管廊中通電線路造成的電磁擾動，監(jiān)測結果真實可靠。同時，采用光纖遠距離信號傳輸，便于監(jiān)測信號的傳遞。

3.測量精度可以調節(jié)。

通過改變楔形塊的傾斜面角度，傳感器波長的變化與相對位移的比值發(fā)生改變，此外，改變懸臂梁長度與厚度也可以實現(xiàn)上述改變。因此可以靈活地調節(jié)傳感器測量精度。

4.適用范圍廣。

通過對傳導部分進行改造，以及改變感應部分與傳導部分的連接形式，可以制作出適應于各類結構與環(huán)境的相對沉降量監(jiān)測傳感器。

本實用新型的相對沉降量傳感器結構簡單，測量精度高且可調，穩(wěn)定性好，同時具有溫度自補償功能，響應速度快，抗電磁干擾，具有較好的工程應用前景。

附圖說明

圖1是本實用新型的內部結構正視圖。

圖2是本實用新型的內部結構立體圖。

圖3是本實用新型的內部結構后視圖。

圖4是本實用新型的滑動頭細節(jié)圖。

圖5是本實用新型的應變感應基片細節(jié)圖。

圖6是本實用新型的外部三維示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細說明。

圖1-6所示。一種楔形結構光纖光柵位錯計，包括由滑動頭1、懸臂梁2、傳感光纖光柵3、補償光纖光柵4、傳動桿5、限位板6、螺栓7、楔形塊9、彈簧8、保護外殼10與固定片11；

保護外殼10為矩形盒式，側壁上設有用于滑動頭1伸出的狹長活動縫，保護外殼10內與活動縫對應的一側固定楔形塊8；

滑動頭1末端為U型板結構，該U型板卡到楔形塊8上；在U型板上通過螺栓固接有兩個懸臂梁2；兩個懸臂梁2的活動端通過傳動桿5連接在一起；將楔形塊8斜面深入滑動頭1凹槽內，使得傳動桿5與楔形塊9的斜面相接觸；限位板6對稱固定于滑動頭1伸出活動縫部分，用來防止活動頭水平運動；

保護外殼10端面上固接有彈簧9，彈簧9另一端呈自由狀態(tài)與滑動頭1抵接；

在滑動頭1的U型板上設有補償光纖光柵4，在懸臂梁2上設有傳感光纖光柵3；將滑動頭1上開圓孔，用于傳感光纖光柵3和補償光纖光柵4的尾纖通過圓孔穿出，在尾纖套上光纖松套管。

所述傳感光纖光柵3為Bragg光柵。

采用楔形塊9將沉降位移差轉換成懸臂梁2自由端的撓度。

楔形塊9將待測沉降位移差轉換成懸臂梁2自由端的撓度，通過傳感光纖光柵3對懸臂梁2臨近固定端處彎曲應變進行測量，并采用參考光柵法解決了光纖光柵交叉敏感問題。

本實用新型的一種監(jiān)測地下管廊沉降縫兩側相對沉降量的楔形結構光纖光柵位錯計的工作原理如下：

楔形塊傾斜的角度為α，則滑動傳導臂相對位移Δx與懸臂梁端部撓度y的關系為：

Δx＝y(tǒng)·tanα (1)

對于懸臂梁有：

σ_max＝E·ε (4)

其中σ_max是懸臂梁上光纖光柵粘貼處中間部位的最大應力，F(xiàn)為懸臂梁端部與楔形塊接觸處垂直于錳鋼梁方向的合力，y為在F作用下懸臂梁端部的撓度，l為錳鋼懸臂梁的有效工作長度，b為懸臂梁的截面寬度，h為懸臂梁的厚度，E為懸臂梁的彈性模量，I為懸臂梁的截面慣性矩，ε為懸臂梁表面粘貼光纖光柵處的應變。

由(1)-(4)可以得到：

若不考慮溫度導致中心波長的改變量，懸臂梁表面封裝的光纖光柵工作原理表達式如下：

式中，Δλ_B為相對于起始位置的中心波長改變量，k_ε為光纖光柵應變靈敏度系數

由(5)和(6)可以得出：

令則有：

Δx＝K·Δλ_B (8)

式中，K為位錯計的靈敏度系數。

式(8)即為一種楔形結構光纖光柵位錯計的光—位移方程。由此式可看出相對沉降量Δx與相對于初始位置光纖光柵中心波長改變量Δλ_B之間成線性關系，當溫度恒定，通過監(jiān)測中心波長改變量Δλ_B從而獲得相對沉降量Δx的結果，如果溫度改變，公式(8)中的Δλ_B需要消除不受力溫度補償光纖光柵波段的變化。

本實用新型的一種基于光纖光柵技術的實時監(jiān)測地下管廊相對沉降量的位錯計在具體封裝時：

把懸臂梁一面用酒精清洗并擦拭干凈，平放在封裝臺上，然后將傳感光纖光柵兩端固定，并施加一定的預應力，用光纖光柵精密調整架調整光纖光柵的位置使其平行放置于靠近懸臂梁固定端一側的表面。滴取少量氰基丙烯酸乙酯于柵區(qū)處，當柵區(qū)固定后再在柵區(qū)表面涂抹少量環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂固化后即完成了應變感應基片光纖光柵的封裝。同理，采用相同的方法將補償光纖光柵固定于滑動頭的一側。尾纖表面涂抹少量704膠后，用光纖松套管進行保護。

傳感部分的矩形保護器殼體采用鋁合金板制成，并采用螺桿進行拼裝，滑動頭伸出側設置狹長活動縫。保護外殼內與開活動縫對應的一側采用螺栓固定楔形塊。滑動頭與懸臂梁和限位板間均采用螺栓連接。兩個懸臂梁的兩個活動端通過焊接傳動桿連接在一起。楔形塊斜面深入滑動頭凹槽內，使得傳動桿于楔形塊斜面相接觸，滑動頭上下運動時楔形塊可以頂起傳動桿，從而帶動懸臂梁自由端產生撓度。彈簧一端采用環(huán)形卡片固定于保護外殼內側，另一端自由狀態(tài)，用以保證滑動頭的初始位置。在與活動縫相接的滑動頭鋼板上開洞，用以引出傳感光纖光柵和補償光纖光柵的尾纖。感應部分與傳導部分均采用螺栓將固定片固定于墻體。通過螺栓將滑動頭與凹型管連接進而使感應部分與傳導部分相連接。封裝完成后，用光纖松套管保護尾纖。