專利名稱：一種光纖光柵測(cè)斜儀及測(cè)斜算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)斜儀與測(cè)斜算法，特別是涉及一種利用光纖光柵傳感器為測(cè)量
部件的測(cè)斜儀與相應(yīng)的測(cè)斜算法。
背景技術(shù)：
測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔傾角和方位角的原位監(jiān)測(cè)儀器。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始應(yīng)用在對(duì)土石壩、路基、邊坡及其隧道等巖土工程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用于水利水電、礦產(chǎn)冶金、交通與城建巖土工程領(lǐng)域，在保證巖土工程設(shè)計(jì)、施工及其使用安全中。主要類型有電阻應(yīng)變式、加速度計(jì)式和電子計(jì)式等。國(guó)內(nèi)外使用的測(cè)斜儀的主要測(cè)量部件是利用磁通門傳感器或機(jī)械陀螺儀作為角速度傳感器與加速度計(jì)結(jié)合，測(cè)量方位角和傾斜角；主要的數(shù)據(jù)傳輸部件是鎧裝七芯電纜?，F(xiàn)有的測(cè)斜儀在測(cè)量方面存在著測(cè)量精度差、壽命短、操作維修不方便等缺點(diǎn)，在數(shù)據(jù)傳輸方面又存在傳輸電纜帶寬有限，嚴(yán)重限制了地面以下數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＲ虼耸褂脮r(shí)，現(xiàn)有的測(cè)斜儀使大量的地層信息不能或無(wú)法精確地傳到地面。 申請(qǐng)日為2006年7月17日，公開(kāi)號(hào)為1932238，名稱為"全光纖數(shù)字測(cè)斜儀"的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種全光纖數(shù)字測(cè)斜儀，該測(cè)斜儀采用光纖陀螺作為傳感器測(cè)量角速度，采用光纖光纜完成數(shù)據(jù)傳輸。由于光纖陀螺本身價(jià)格較高，體積也有一定的限度，因此造成了該"全光纖數(shù)字測(cè)斜儀"整體價(jià)格高、體積不夠小的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種光纖光柵測(cè)斜儀及相應(yīng)的測(cè)斜算法。該測(cè)斜儀以光纖光柵作為測(cè)量傳感器，以光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，具有精度高、靈敏度高、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量得出的數(shù)據(jù)經(jīng)測(cè)斜算法計(jì)算能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算得出測(cè)斜儀的傾斜角度。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種光纖光柵測(cè)斜儀，包括光源1、波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2、光分路器3和傾斜計(jì)4 ;光源1和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2連接在光分路器3的同一側(cè)，其特征在于所述傾斜計(jì)4包括空心導(dǎo)管41和光纖光柵42 ;所述空心導(dǎo)管41的內(nèi)部沿軸向平行布置至少一根光纖421 ;每根光纖421上聯(lián)接至少一個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，當(dāng)每根光纖421上各聯(lián)接多個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422時(shí)，為等距離串聯(lián)；每根光纖421上聯(lián)接的應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同；光纖421連接到光分路器3的另一側(cè)。 本發(fā)明提供的光纖光柵測(cè)斜儀采用光纖光柵作為測(cè)量傳感器安裝在測(cè)斜儀的傾斜計(jì)內(nèi)。光纖光柵是一種新型的全光纖無(wú)源器件，是用光纖Bragg光柵(FBG)作敏感元件的功能型光纖傳感器，其工作原理為用一對(duì)強(qiáng)紫外光柱所產(chǎn)生的干涉條紋，對(duì)光敏光纖側(cè)面進(jìn)行照射，可以對(duì)光芯處的折射率進(jìn)行永久的周期性調(diào)制，從而制成一段折射率周期性變化的光柵。由于周期的折射率擾動(dòng)僅對(duì)頻率很狹窄的小段光譜產(chǎn)生影響，當(dāng)光波在光柵中傳播時(shí)，入射光將在這段被反射回來(lái)，其余頻率的光譜則被透射過(guò)去，這樣光纖光柵起到選擇光波的作用。能夠被反射回去的波長(zhǎng)必須滿足以下公式的條件
入b = 2neff A 式中，A B-光柵光柵反射的中心波長(zhǎng)；
nrff-光柵纖芯的有效折射率；
A-光纖光芯折射率的調(diào)制周期。 從上式可以看出，如果纖芯的有效折射率或者調(diào)制周期發(fā)生變化，那么反射波長(zhǎng)也將發(fā)生變化。事實(shí)上如果光柵受到應(yīng)力與溫度作用時(shí)，纖芯的有效折射率與調(diào)制周期都將發(fā)生變化。所以光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化可以表征出所在環(huán)境的應(yīng)力與溫度的變化。
根據(jù)以上原理，當(dāng)本技術(shù)方案提供的傾斜計(jì)安裝在土體中施工孔內(nèi)后，由于土體的長(zhǎng)期蠕動(dòng)和滑面位移的推力引起傾斜計(jì)發(fā)生變形或變位，并由此引起布置在傾斜計(jì)上的光纖發(fā)生微小變形，引起光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化。因而通過(guò)測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化，就能夠得到傾斜計(jì)的傾斜角度的變化特征，計(jì)算得到土體變形或變位的數(shù)值。同時(shí)再結(jié)合巖土力學(xué)的相關(guān)原理，還可計(jì)算出土體中的相應(yīng)位點(diǎn)應(yīng)力的大小和方向的變化。
上述光纖光柵測(cè)斜儀的傾斜計(jì)的空心長(zhǎng)管可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)為采用鋼性管與柔性管相間隔的結(jié)構(gòu)，且在鋼性管和柔性管中均布有光纖光柵，這種結(jié)構(gòu)有利于測(cè)量土體非線性大變形。具體為將柔性管與剛性管依次間隔連接，使整個(gè)傾斜計(jì)設(shè)計(jì)為鏈桿結(jié)構(gòu)，柔性管的作用類似鉸接。當(dāng)該測(cè)斜儀在土體中受力發(fā)生形變時(shí)，柔性管成為轉(zhuǎn)角結(jié)點(diǎn)，剛性管與剛性管之間通過(guò)鉸只傳遞剪力，不傳遞彎矩。并且由于鋼性管和柔性管都相對(duì)粗短，長(zhǎng)徑比較小，因此抗彎鋼度也較大。當(dāng)傾斜計(jì)安裝在施工孔內(nèi)后，在任意土推力作用下鋼性管發(fā)生平移或柔性管發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而管軸線仍然保持直線。則只要利用光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化的測(cè)量值確定柔性管(鉸)與剛性管之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就可遞推計(jì)算得出傾斜計(jì)長(zhǎng)管上任意一點(diǎn)的空間位移與變形。
本發(fā)明將傾斜計(jì)設(shè)計(jì)成鏈桿結(jié)構(gòu)的益處還在于由于在鉸結(jié)點(diǎn)不傳遞彎矩，故在
任意一段鋼性管上，應(yīng)力邊界條件只包括鉸施加的拉力與鋼性管周圍的土的作用力。后者
包括桿一側(cè)的土壓力，對(duì)應(yīng)一側(cè)的土抗力和桿土之間的磨擦力(桿表面剪力)。由此，力學(xué)
模型簡(jiǎn)化為側(cè)面和端點(diǎn)受力的剛性桿件結(jié)構(gòu)，桿端不考慮彎矩作用，桿內(nèi)應(yīng)力分布可以理
想化為桿側(cè)土平均分布作用力的簡(jiǎn)支梁，則很容易準(zhǔn)確計(jì)算得出土體中的壓力分布情況。
本發(fā)明還提供如下與測(cè)斜儀配套使用的測(cè)斜算法，其技術(shù)方案如下 —種與上述光纖光柵測(cè)斜儀配合的測(cè)斜算法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行 Sl、安裝光纖光柵測(cè)斜儀，確定測(cè)斜計(jì)露地面原點(diǎn)a 。的空間坐標(biāo)真值(x。， y。)； S2、在測(cè)斜計(jì)露地面端施加力F，使測(cè)斜計(jì)發(fā)生彎曲變形，根據(jù)光柵解調(diào)變化值確
定測(cè)斜計(jì)空心導(dǎo)管(41)鏈桿結(jié)構(gòu)任意結(jié)點(diǎn)cin處空間轉(zhuǎn)角值(an,x， an,y， aw)，其中(n，
x) ， (n， y) ， (n， z)分別為結(jié)點(diǎn)處在x軸，y軸，z軸的投影值; S3、根據(jù)公式1計(jì)算測(cè)斜計(jì)空心導(dǎo)管鏈桿結(jié)構(gòu)上任意結(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。
A /7 ()=(^),凡,Z。 ) + (Dg《J .(.,2)g0^ .('，2)g《',:A訟式1
/二f /二f /=f 式中，1「i段測(cè)斜計(jì)鋼性管的長(zhǎng)度(m); a i, (x,y,z)——i段測(cè)斜計(jì)柔性管處在x， y， z方向轉(zhuǎn)角值，(弧度)，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到；
S4、根據(jù)公式2計(jì)算任意兩間任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。
12 , x — a:
'厶、
式2
乂2 — 乂l 力—乂 — 5 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用光纖光柵傳感器作測(cè)量部件除了具有普通光纖傳感器尺寸小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特波長(zhǎng)調(diào)制型、抗干擾能力強(qiáng)，易于與光纖耦合、耦合損耗小，集"傳"與"感"于一體且具有更強(qiáng)的復(fù)用能力、易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量對(duì)象廣泛、易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)傳感測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)斜計(jì)空心長(zhǎng)管采用鋼性桿與柔性桿相間隔的結(jié)構(gòu)使得測(cè)斜儀桿內(nèi)應(yīng)力分布可以理想化為桿兩側(cè)土平均分布作用力的簡(jiǎn)支梁，由此能解決測(cè)量桿上應(yīng)力分布計(jì)算問(wèn)題，并反演計(jì)算出相應(yīng)土體位點(diǎn)的應(yīng)力，包括桿兩側(cè)的土推力與土抗力。


圖1是光纖光柵測(cè)斜儀示意圖。
圖2是實(shí)施例一空心導(dǎo)管中光纖光柵布置縱剖面示意圖。圖3是實(shí)施例二空心導(dǎo)管中光纖光柵布置縱剖面示意圖。圖4是實(shí)施例二空心導(dǎo)管中光纖光柵布置橫剖面示意圖。圖5是實(shí)施例三、四空心導(dǎo)管中光纖光柵布置縱剖面示意圖,圖6是實(shí)施例五傾斜計(jì)示意圖。
圖7是實(shí)施例五金屬導(dǎo)管與柱狀部件連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是連接螺栓縱剖面示意圖。
圖9是實(shí)施例六傾斜計(jì)示意圖。
圖10是實(shí)施例六傾斜計(jì)縱剖面局部放大示意圖。
圖11是圖10的A-A剖示圖。
圖12是實(shí)施例七光纖光柵布置橫剖面示意圖。
圖13是實(shí)施例九傾斜計(jì)與保護(hù)罩結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14是保護(hù)罩示意圖。
圖15是實(shí)施例十傾斜計(jì)工作狀態(tài)示意圖。
圖16是測(cè)斜算法原理圖。
圖中標(biāo)號(hào)如下
l光源
2波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備3光分路器4傾斜計(jì)41空心導(dǎo)管411金屬導(dǎo)管412柱狀部件413連接螺栓414法蘭盤
416柔性管417保護(hù)罩4171固定條4172固定孔42光纖光柵421光纖4211鎧裝光纜422應(yīng)變測(cè)量光4423溫度補(bǔ)償光4
415剛性管
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例一 如圖1、圖2所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，包括光源1、波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2、光分路器3和傾斜計(jì)4。 其中，傾斜計(jì)4包括空心導(dǎo)管41和光纖光柵42。空心導(dǎo)管41的內(nèi)表面沿軸向平行粘貼有一根光纖421 ;光纖421上聯(lián)接一個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422。 光纖光柵測(cè)斜儀的光源1和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2連接在光分路器3的同一側(cè)；光纖421用鎧裝光纜4211引出連接在光分路器3的另一側(cè)。
實(shí)施例二 如圖3、圖4所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例一中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 空心導(dǎo)管41的內(nèi)表面沿軸向平行粘貼有三根光纖421，三根光纖421間彼此等距。每根光纖421上聯(lián)接一個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，并固定光柵區(qū)位于空心導(dǎo)管41正中部位，每根光纖421上聯(lián)接應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同。其中一根光纖421上還聯(lián)接有一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵423。三根光纖421分別用鎧裝光纜4221引出連接到光分路器3的另一側(cè)。
實(shí)施例三 如圖5所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例二中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 每根光纖421上等距離串聯(lián)有多個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，串聯(lián)間距為10cm，每根光纖421上串聯(lián)的應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同。
實(shí)施例四 如圖5所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例二中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 每根光纖421上等距離串聯(lián)有多個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，串聯(lián)間距為15cm，每根光纖421上串聯(lián)的應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同。
實(shí)施例五 如圖6、圖7、圖8所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例一中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 空心導(dǎo)管41由三段金屬導(dǎo)管411、一段長(zhǎng)70mm直徑3mm的柱狀部件412、兩個(gè)連接螺栓413和一個(gè)法蘭盤414組成。三段金屬導(dǎo)管411中，一段長(zhǎng)約94mm，其余兩段等長(zhǎng)約300mm。 柱狀部件412外表面上沿軸向平等粘貼有三根光纖421，三根光纖421間彼此等距。每根光纖421上聯(lián)接一個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，每根光纖421上聯(lián)接的應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同，光柵區(qū)位于柱狀部件412正中部位。其中一根光纖421上還聯(lián)接有一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵423。柱狀部件412兩端分別加工有8mm長(zhǎng)的外螺紋。兩段300mm長(zhǎng)的金屬導(dǎo)管411各有一端加工有15mm長(zhǎng)的內(nèi)螺紋。連接螺栓413
6的螺桿端加工有8mm長(zhǎng)內(nèi)螺紋，大頭端加工有15mm長(zhǎng)外螺紋。兩個(gè)螺栓413的螺桿端分別與柱狀部件412兩端外螺紋相連接，大頭端分別與一段300mm長(zhǎng)金屬導(dǎo)管411的內(nèi)螺紋端連接。長(zhǎng)度為94mm的金屬導(dǎo)管411固定在兩連接螺栓413之間，套在柱狀部件412外。
本實(shí)施方式中的光纖光柵測(cè)斜儀傾斜計(jì)4的空心導(dǎo)管41以金屬導(dǎo)管411為主體，通過(guò)柱狀部件412將光纖光柵固定在金屬導(dǎo)管411內(nèi)。由于金屬材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，因此當(dāng)傾斜計(jì)4安裝后，能夠隨外力發(fā)生相應(yīng)的形變，并借助光纖光柵傳感器的特性反映出來(lái)，被解調(diào)儀識(shí)別。同時(shí)，金屬材料也是良好的溫度導(dǎo)體，能夠保證溫度補(bǔ)償光柵423的效用發(fā)揮。
實(shí)施例六 圖9、圖10、圖11所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例一、實(shí)施例五中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 傾斜計(jì)的4的空心導(dǎo)管41是由剛性管415和柔性管416聯(lián)接成的鏈桿結(jié)構(gòu)?？招膶?dǎo)管41由兩段剛性管415，接連螺栓413， 一段長(zhǎng)120cm的柔性管416、三段柱狀部件412和一個(gè)法蘭盤414組成。 剛性管415由金屬導(dǎo)管411、連接螺栓413和布置有光纖光柵的柱狀部件412構(gòu)成，金屬導(dǎo)管411兩端均加工有15mm長(zhǎng)內(nèi)螺紋。通過(guò)連接螺栓413將柱狀部件412固定在金屬導(dǎo)管411內(nèi)，具體結(jié)構(gòu)同實(shí)施例五。 柔性管416外徑與接連螺栓413大頭端外徑相等，柔性管416由接連螺栓413固定在布置有光纖光柵的柱狀部件412夕卜，具體結(jié)構(gòu)類似實(shí)施例五。 整個(gè)空心導(dǎo)管41通過(guò)連接螺栓413外螺紋與金屬導(dǎo)管411內(nèi)螺紋的連接，構(gòu)成剛性管415和柔性管416依次聯(lián)接而成的鏈桿結(jié)構(gòu)。 應(yīng)變測(cè)量光柵區(qū)位置分別位于剛性管415和柔性管416的正中部位。 本實(shí)施方式中的光纖光柵測(cè)斜儀中將空心長(zhǎng)管41設(shè)計(jì)為柔性管416與剛性管415
依次間隔連接的鏈桿結(jié)構(gòu)，柔性管416的作用類似鉸接。剛性管415與剛性管415之間通
過(guò)"鉸"只傳遞剪力，不傳遞彎矩。并且由于鋼性管415和柔性管416都相對(duì)粗短，長(zhǎng)徑比減
小，因此抗彎鋼度也較大。當(dāng)傾斜計(jì)4安裝在施工孔內(nèi)后，在任意土推力作用下鋼性管415
發(fā)生平移或柔性管415發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而管軸線仍然保持直線。則只要確定柔性管(鉸)與剛
性管之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就可遞推得到傾斜計(jì)長(zhǎng)管上任意一點(diǎn)的位移。 為適應(yīng)測(cè)斜儀不同的適用環(huán)境，本實(shí)施方式中的剛性管415和柔性管416可以選
用不同的材料組合。如，剛性管415選用不銹鋼，柔性管416選用PVC材料；或者剛性管415
選用PVC材料，柔性管416選用軟性塑料；或者適應(yīng)于測(cè)量環(huán)境需要的不同剛性和柔性材料
組合。只要傾斜計(jì)4的空心導(dǎo)管41結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為"剛"、"柔"相間的鏈桿結(jié)構(gòu)，便屬于本發(fā)明
技術(shù)方案的范圍。 本實(shí)施方式中的"剛"、"柔"相間的鏈桿結(jié)構(gòu)也不僅限于一段柔性管間隔兩段剛性管的數(shù)量。根據(jù)實(shí)際適用需要和材料特性，可以"剛"、"柔"依次間隔延長(zhǎng)空心導(dǎo)管。并且，基于溫度補(bǔ)償光柵的作用，空心導(dǎo)管中溫度補(bǔ)償光柵的布置主要根據(jù)測(cè)斜儀適用環(huán)境的溫度變化特征、傾斜計(jì)的長(zhǎng)度、剛性管和柔性管的選材料等特征確定，并不限于本實(shí)施方式中所述的方式。同時(shí)，本實(shí)施例中將應(yīng)變測(cè)量光柵區(qū)布置在柱狀部件的中間部位是為了方便測(cè)斜儀在使用時(shí)角度位移計(jì)算的簡(jiǎn)潔，而不是實(shí)現(xiàn)本技術(shù)方案不可改變的條件。
7
實(shí)施例七 如圖12所示，加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例六中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 剛性管415中分別固定兩段柱狀部件412，并保證應(yīng)變測(cè)量光柵區(qū)位于剛性管415
近兩端的部位。 實(shí)施例八 加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例六中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于 在剛性管415和柔性管416中，每根光纖421上等距離串聯(lián)有多個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵422，串聯(lián)間距約12mm。每根光纖421上串聯(lián)的應(yīng)變測(cè)量光柵422的位置對(duì)應(yīng)相同。
每根光纖上串聯(lián)的應(yīng)變測(cè)量光柵數(shù)目是由傾斜計(jì)的長(zhǎng)度、設(shè)備性能、測(cè)量效果、測(cè)
量環(huán)境條件等確定的。
實(shí)施例九 如圖13、圖14所示。加工一種光纖光柵測(cè)斜儀，其與實(shí)施例六中相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于在柔性管416外周安裝有保護(hù)罩417。 保護(hù)罩417主體為網(wǎng)狀，上下邊分別帶有一段固定條4171，固定條4171上有固定孔4172。用螺栓穿過(guò)固定孔4172可以將保護(hù)罩固定安裝在柔性管416外部。
實(shí)施例十 如圖15、圖16所示。 一種利用實(shí)施例六中的光纖光柵測(cè)斜儀實(shí)施的測(cè)斜算法。此實(shí)施例中僅以二維坐標(biāo)值的計(jì)算為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程，具體步驟如下 (1)安裝光纖光柵測(cè)斜儀，確定測(cè)斜計(jì)露地面原點(diǎn)a 。的空間二維坐標(biāo)真值(x。，
y。)。 安裝光纖光柵測(cè)斜儀，利用靜態(tài)GPS給定出測(cè)斜計(jì)4露地面原點(diǎn)a 。的空間坐標(biāo)真值(x。，y。)。根據(jù)實(shí)測(cè)，設(shè)坐標(biāo)"。(u的值為(O，O)。
(2)確定測(cè)斜計(jì)空心導(dǎo)管41鏈桿結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)處空間二維轉(zhuǎn)角值(an,x， an,y).
當(dāng)測(cè)斜計(jì)4發(fā)生彎曲變形時(shí)，由于空心導(dǎo)管41呈鏈桿結(jié)構(gòu)，則柔性管416處成為測(cè)斜計(jì)4形變的轉(zhuǎn)角結(jié)點(diǎn)處。 通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備2讀取光纖光柵傳感器反射波長(zhǎng)變化值。根據(jù)光柵解調(diào)值，在考慮溫度補(bǔ)償后，得出測(cè)斜計(jì)空心導(dǎo)管41鏈桿結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)角結(jié)點(diǎn)、和c^的空間二維轉(zhuǎn)角值(ai,x， ai,y)和(a2,x， 02,》，其中(l，x)、 (2，x)、 (l，y)和(2，y)分別為結(jié)點(diǎn)、和a2在x軸和y軸的投影值。 設(shè)第一結(jié)點(diǎn)處&1= 0q，y》，第二結(jié)點(diǎn)處a2 = (x2， y2)。 (3)根據(jù)公式1計(jì)算傾斜計(jì)4空心導(dǎo)管41鏈桿結(jié)構(gòu)上結(jié)點(diǎn)a工和a 2的空間二維坐標(biāo)值。 實(shí)測(cè)得到:a丄=45° ， a 2 = 30° ，剛性管節(jié)桿長(zhǎng)1 = lOcm，則有:
aH,,,V|、 = ( x(, + cosa''/,少。+ sin",7)
= (0+cos45xl0, Q+sin45x10)
二 (7.07, 7.07)<formula>formula see original document page 9</formula> (4)根據(jù)公式2計(jì)算結(jié)點(diǎn)a 1禾P a 2之間任意點(diǎn)a(吣/'2點(diǎn)的空間二維坐標(biāo)值 結(jié)點(diǎn) w'0 ， "2(^)之間的任意點(diǎn)a")1'2的值按線性變化，則任意點(diǎn)a")1'2的值 計(jì)算為<formula>formula see original document page 9</formula>
權(quán)利要求
一種光纖光柵測(cè)斜儀，包括光源(1)、波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備(2)、光分路器(3)和傾斜計(jì)(4)；光源(1)和波長(zhǎng)解調(diào)設(shè)備(2)連接在光分路器(3)的同一側(cè)，其特征在于所述傾斜計(jì)(4)包括空心導(dǎo)管(41)和光纖光柵(42)；所述空心導(dǎo)管(41)的內(nèi)部沿軸向平行布置至少一根光纖(421)；每根光纖(421)上聯(lián)接至少一個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵(422)，當(dāng)每根光纖(421)上各聯(lián)接多個(gè)應(yīng)變測(cè)量光柵(422)時(shí)，為等距離串聯(lián)；每根光纖(421)上聯(lián)接的應(yīng)變測(cè)量光柵(422)的位置對(duì)應(yīng)相同；光纖(421)連接到光分路器(3)的另一側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)內(nèi)部沿軸 向平行布置有3根光纖(421)，光纖(421)之間彼此等距。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述串聯(lián)間距為10 15cm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于其中一根光纖(421) 上還聯(lián)接有至少一個(gè)溫度補(bǔ)償光柵(423)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)內(nèi)部光纖光 柵(42)的布置方式為如下二種方式之一 方式一、光纖光柵(42)粘貼在空心導(dǎo)管(41)的內(nèi)表面；方式二、所述空心導(dǎo)管(41)包括金屬導(dǎo)管(411)、柱狀部件(412)和連接螺栓(413); 所述柱狀部件(412)外表面布置有光纖光柵(42)，兩端加工有外螺紋；所述連接螺栓(413) 的螺桿端加工有內(nèi)螺紋，大頭端加工有外螺紋；所述金屬導(dǎo)管(411) 一端加工有外螺紋；兩 連接螺栓(413)的螺桿端分別通過(guò)螺紋連接在柱狀部件(412)兩端，兩連接螺栓(413)的 大頭端分別與一段金屬導(dǎo)管(411)螺紋連接；兩連接螺栓(413)之間還固定有一段金屬導(dǎo) 管(411)套在柱狀部件(412)以外。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)是由N段 剛性管(415)和N-l段柔性管(416)依次間隔聯(lián)接組成的鏈桿結(jié)構(gòu)；所述剛性管(415)和 柔性管(416)內(nèi)部都布置有光纖光柵(42)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)還包括 連接螺栓(413)，連接螺栓(413)大頭端加工有外螺紋；所述剛性管(415)兩端加工有內(nèi)螺 紋，所述柔性管(416)外徑與接連螺栓(413)大頭端外徑相等；通過(guò)連接螺栓(413)將柔性 管(416)固定在兩個(gè)連接螺栓(413)之間，兩個(gè)連接螺栓(413)的大頭端再分別與剛性管 (415)螺紋連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)內(nèi)部 光纖光柵(42)的布置方式為光纖光柵(42)粘貼在剛性管(415)和柔性管(416)的內(nèi)表 面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述空心導(dǎo)管(41)內(nèi)部光纖 光柵(42)的布置方式為所述柱狀部件(412)外表面布置有光纖光柵(42)，兩端加工有外 螺紋；所述柱狀部件(412)通過(guò)螺紋連接固定在兩連接螺栓(413)之間；在剛性管(415)段 的柱狀部件(412)外通過(guò)連接螺栓(413)固定有剛性材料管；在柔性管(416)段的柱狀部 件(412)外通過(guò)連接螺栓(413)固定有柔性材料管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6、7、9任一所述的光纖光柵測(cè)斜儀，其特征在于所述柔性管(416) 長(zhǎng)度為10 15cm，鋼性管(415)的長(zhǎng)度大于柔性管(416)長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖光柵測(cè)斜儀及相應(yīng)的測(cè)斜算法。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中光纖數(shù)字測(cè)斜儀體積大價(jià)格高且對(duì)土體內(nèi)形變測(cè)量不易等缺陷，本發(fā)明提供一種光纖光柵測(cè)斜儀及配套測(cè)斜算法。該測(cè)斜儀將光纖光柵傳感器安裝在測(cè)斜儀的傾斜計(jì)內(nèi)，通過(guò)測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的變化得到測(cè)斜儀傾斜角度的變化特征并計(jì)算得到土體變形或變位的數(shù)值。進(jìn)一步將該測(cè)斜儀的傾斜計(jì)設(shè)計(jì)為鋼性管與柔性管相間隔的鉸鏈結(jié)構(gòu)，更有利于測(cè)量土體非線性大變形。本發(fā)明還同時(shí)提供配合鉸鏈結(jié)構(gòu)形光纖光柵測(cè)斜儀使用的測(cè)斜算法。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明提供的測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、使用操作容易、成本經(jīng)濟(jì)、抗干擾能力強(qiáng)適用范圍廣，配套測(cè)斜算法計(jì)算步驟簡(jiǎn)潔、結(jié)果準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)E21B47/02GK101713650SQ200910216660
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者張碧華, 朱穎彥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所