本發(fā)明涉及基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國城市化進程加快，城市人口增多，給城市交通帶來了巨大的壓力，地鐵因其快速、便捷、載客量大的優(yōu)勢而應(yīng)運得到推廣應(yīng)用。目前，各大城市都在大力建設(shè)地鐵，根據(jù)軌道交通中長期發(fā)展規(guī)劃，十三五期間將建設(shè)3000公里，到十三五末，全國軌道交通運營里程將達到7000公里。然而，目前國內(nèi)地鐵建設(shè)多呈現(xiàn)“重建不重養(yǎng)”的現(xiàn)狀，尤其在我國地鐵建設(shè)尚屬發(fā)展中階段，這會給地鐵的日后運營及周圍建筑的穩(wěn)定埋下安全隱患。

現(xiàn)代地鐵隧道數(shù)量多、相互交叉以及高密集等特點對地鐵施工提出了嚴(yán)格的要求，地鐵的修建和運營過程中不可避免的引起巖土層的位移、變形甚至塌方等惡劣影響。因此，地鐵的沉降監(jiān)測一直是地鐵結(jié)構(gòu)安全評估的重要因素。

目前，對于地鐵的沉降監(jiān)測主要采用全站儀、水準(zhǔn)測量和靜力水準(zhǔn)儀等方法，而對于地鐵大范圍的在線監(jiān)測的案例比較少，因此有必要開發(fā)一套對地鐵大范圍、低成本的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)。

分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)以光纖本身既作為傳感單元又作為傳輸媒介，可以準(zhǔn)確地測出光纖上任何位置的應(yīng)變和溫度信息，實現(xiàn)長距離、連續(xù)分布式監(jiān)測。分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)在橋梁、隧道、邊坡航天器、船舶等結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)提出了基于分布式光纖應(yīng)變傳感的沉降監(jiān)測專利，但存在一些缺陷和不足。如實用新型CN201220518062提出了一種基于布里淵分布式光纖傳感的結(jié)構(gòu)撓度沉降監(jiān)測系統(tǒng)，其技術(shù)方案是通過兩個滑輪來纏繞、固定分布式光纖，當(dāng)產(chǎn)生沉降時，纏繞的光纖所受的力將發(fā)生變化。該系統(tǒng)中采用了多種光纖(商業(yè)單模裸光纖、外敷鎧甲的單模裸光纖)，提高了系統(tǒng)復(fù)雜度和生產(chǎn)成本，同時商業(yè)單模裸光纖在纏繞尺寸較小的滑輪時容易產(chǎn)生彎曲損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測距離大幅度衰減，若采用抗微彎光纖則提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。光纖處于油狀液體中，長期浸泡會腐蝕光纖的涂覆層，易使光纖出現(xiàn)損傷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有地鐵沉降監(jiān)測的高成本、監(jiān)測距離短、供電和通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性較差、無法抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)性較差的不足，本發(fā)明提供了一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)，包括分布式光纖應(yīng)變分析儀、傳感光纖、沉降儀、空氣連通管、液體連通管和儲液罐，所述的分布式光纖應(yīng)變分析儀與傳感光纖形成一個傳感測試光路，對光路上每一處的光纖應(yīng)變和溫度進行監(jiān)測，所述的沉降儀安裝于待測區(qū)域，所述的空氣連通管串聯(lián)沉降儀和儲液罐，所述的液位連通管和空氣連通管分別串聯(lián)沉降儀和儲液罐，其中液位連通管位于液位下方，空氣連通管位于液位上方。

作為優(yōu)選：所述沉降儀包括外殼和底座，外殼內(nèi)設(shè)有傳感光纖、浮子和液體，外殼內(nèi)的傳感光纖設(shè)有傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)-和傳感光纖溫度測試區(qū)，所述浮子懸掛于傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)下方且浸泡在液體中。

作為優(yōu)選：所述傳感光纖均為同種光纖，沉降儀以外的傳感光纖用于信號傳輸，沉降儀內(nèi)部的傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)用于應(yīng)變測試，沉降儀內(nèi)部的傳感光纖溫度測試區(qū)用于溫度測試。

作為優(yōu)選：為保障同一溫度環(huán)境下，所述傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)和傳感光纖溫度測試區(qū)的傳感光纖不浸泡于液體中。

作為優(yōu)選：所述傳感光纖為商用單模光纖。

本發(fā)明具有以下的特點和有益效果：(1)單套系統(tǒng)可以實現(xiàn)長距離監(jiān)測和傳輸；(2)系統(tǒng)成本低，推廣應(yīng)用可行性高；(3)傳感端無需供電和通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；(4)分布式光纖具有抗電磁干擾能力，可在電磁場復(fù)雜的地鐵環(huán)境中長期可靠的運行。

附圖說明

圖1為一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)組成圖；

圖2為沉降儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：分布式光纖應(yīng)變分析儀1、傳感光纖2、傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)2-1、傳感光纖溫度測試區(qū)2-2、沉降儀3、空氣連通管4、液體連通管5、儲液罐6、沉降儀外殼7、浮子8、液體9、安裝底座10。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。下述實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。

參照圖1和圖2，一種基于分布式光纖應(yīng)變傳感的地鐵沉降監(jiān)測系統(tǒng)，包括分布式光纖應(yīng)變分析儀1，傳感光纖2(傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)2-1，傳感光纖溫度測試區(qū)2-2)，沉降儀3，空氣連通管4，液體連通管5，儲液罐6。所述沉降儀3包括了沉降儀外殼7，浮子8，液體9和安裝底座10；

所述的分布式光纖應(yīng)變分析儀1采用傳感光纖2將每個沉降儀進行串聯(lián)，通過分布式光纖應(yīng)變分析儀1測試出每個沉降儀3中傳感光纖的應(yīng)變和溫度信息；

所述的沉降儀3安裝于沉降待測區(qū)域，空氣連通管4和液體連通管5將沉降儀3和儲液罐6進行串聯(lián)，使得沉降儀3和儲液罐6中的液體處于同一高度。

所述的沉降儀3產(chǎn)生沉降時，液位不發(fā)生變化，浮子8浸泡于液體9的深度將發(fā)生變化，從而浮子8的浮力發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感光纖應(yīng)變測試區(qū)2-2的應(yīng)變發(fā)生變化。

沉降儀安裝于地鐵中需監(jiān)測的位置，通過傳感光纖2將每個沉降儀進行連接并將信號傳輸至分布式光纖應(yīng)變分析儀1?？諝膺B通管4和液體連通管5將沉降儀3和儲液罐6進行連通，使得沉降儀3和儲液罐6中的液體處于同一高度。儲液罐6安裝于不易發(fā)生沉降的基準(zhǔn)點，當(dāng)某處沉降儀3產(chǎn)生沉降時，整個系統(tǒng)的液位高度幾乎不發(fā)生變化。

沉降儀3中的傳感光纖2懸掛一個浮子，浮子8部分浸泡于液體中，浮子8受到自身的重力作用(F_重)和浮力作用(F_浮)，使傳感光纖2處于初始受力狀態(tài)(F)，如公式(1)和(2)所示：

F＝F_重-F_浮 (1)

F_浮＝ρVg＝ρAHg (2)

式中，ρ為液體的密度，V為浮子8浸泡于液體的體積，g為重力加速度，A為浮子8的橫截面積，H為浮子8浸泡于液體的深度。

當(dāng)沉降儀3產(chǎn)生沉降(ΔH)時，浮子8浸泡于液體的深度也產(chǎn)生變化(ΔH)，從而浮子8的浮力將發(fā)生變化(ΔF_浮)，傳感光纖2所受的力將產(chǎn)生變化(ΔF)，即傳感光纖2的應(yīng)變將產(chǎn)生變化(Δε)。如公式(3)和(4)所示：

ΔF_浮＝ρAΔHg (3)

ΔF＝SEΔε (4)

式中，S為傳感光纖2的橫截面積，E為傳感光纖2的彈性模量，Δε為傳感光纖2的應(yīng)變變化量。

在浮子8重力不變的情況下，浮子8的浮力變化即為傳感光纖2的受力變化，如公式(5)所示：

ΔF_浮＝ΔF (5)

因此，沉降儀3的沉降量可以如公式(6)所示：

通過分布式光纖應(yīng)變分析儀1對傳感光纖2應(yīng)變進行解調(diào)分析，從而推算出沉降儀3的沉降量(ΔH)。

同時，傳感光纖2作為分布式光纖具有長距離監(jiān)測(≥50km)和空間定位能力(定位精度≤1m)，可以通過定位光纖的長度來對沉降儀進行區(qū)分，從而實現(xiàn)長距離、大范圍的沉降監(jiān)測。

沉降儀3中預(yù)留了一端傳感光纖溫度測試區(qū)，監(jiān)測沉降儀的內(nèi)部溫度，用于對應(yīng)變光纖進行溫度補償。