[发明专利]一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统

说明书

本发明提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统，将分布式传感光纤黏贴于变截面悬臂梁上下表面，形成位移传感器，利用变截面悬臂梁端部位移变化与其上下表面传感光纤应变变化之间的传感关系，实现对悬臂梁端部位移的测量。传感器的位移测量精度和量程可以调节，并且单个位移传感器可以实现多方向位移测量。本发明介绍的位移传感器可通过一根光纤进行多点串联，使用高空间分辨率长距离分布式光纤应变传感系统测量所有串联测点的位移变化，形成超多测点的长距离同步位移监测系统。本发明能够满足大型土木工程结构对长距离、超多测点和高精度的位移测量需求，并且造价成本合理，系统结构简单，便于实施。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统。

背景技术

土木工程结构的位移变化是其结构状态变化的重要表征，获取土木工程结构的位移信息对分析其结构力学行为，监测结构病害发展，评估结构安全状态具有重要意义。然而，土木工程结构具有体积大、距离长、构造复杂、关键位置多、位移变化小等特点，例如桥梁、隧道、铁路、公路、油气管线等结构在设计服役期内全长范围内都有可能产生结构病害，并且结构病害早期表现出的位移变化通常为毫米量级。因此，在进行土木工程结构安全监测时，位移监测点数量越多、覆盖距离越长、测量精度越高，越容易尽早发现结构病害，越有利于及时采取整治和维护措施，越能够有效降低结构安全风险。

目前，土木工程结构安全监测中常用的位移传感器主要有以下几种类型：光纤光栅位移传感器、拉线式位移传感器、LVDT位移传感器和激光位移传感器等。例如发明专利CN108955540A中介绍的一种光纤光栅位移传感器，以光纤光栅为传感元件，使用机械连杆装置，将被测位移转化成光纤光栅的应变变化，通过测量光纤光栅的应变信号实现对位移的测量。再例如实用新型专利CN204831201U中介绍的一种级联混合式拉线位移传感器，使用拉线和齿轮传动装置，将被测位移转化成内部角度传感器的信号变化，基于二者之间的线性关系实现对位移的测量。上述多种位移传感器的共同缺点是无法在合理的成本容许范围内形成超长距离且超多测点的位移测量系统，无法满足土木工程结构监测对大量关键位置的位移信息获取的需求。

例如，对于拉线式位移传感器、LVDT位移传感器和激光位移传感器，通常每一个传感器需要单独配备一根数据传输线与数据采集仪连接，并占用一个数据采集通道，由于仪器数据采集通道数量的限制，可接入的传感器数量较少。另外，随着传感器覆盖距离的增加，数据传输线的总长度将以传感器数量为基数成倍的增加，传感信号的传输损耗也会随之增加，导致其在实际土木工程监测中组成超长距离且超多测点的位移测量系统的可操作性和总造价成本均不合理。

对于光纤光栅位移传感器，虽然可以通过一根光纤将多个传感器进行串联，并同时进行数据采集，但是一根光纤可串联的光栅数量有限，一般不超过几十个。另外，由于光纤光栅位移传感器之间需要通过光纤熔接或法兰盘对接等方式进行连接，每个连接点都会产生一定程度的光信号传输损耗，随着传感器数量的增加，光纤连接点数量也随之增加，将累计产生显著的信号衰减，进一步限制了光纤光栅位移传感器可串联的数量。另外，光纤光栅传感器成本较高，除了精密的机械传动装置，还需要在光纤上刻制光栅，大量使用会导致位移监测系统总成本过高而不符合工程监测的合理成本要求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有土木工程结构监测中位移传感系统测点数量少、覆盖距离短、多测点成本过高等问题，提出了一种多点串联式分布式光纤位移传感器及其测量系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种多点串联式分布式光纤位移传感器，包括1根分布式应变传感光纤1、胶黏剂2、n个变截面悬臂梁3、2个悬臂梁基座4、n个量程垫板5和2个固定底座6；n为大于等于1的正整数；所述分布式应变传感光纤1通过胶黏剂2黏贴于变截面悬臂梁3的上下表面，所述变截面悬臂梁3的根部与一个悬臂梁基座4固定，端部搭接到另一个悬臂梁基座4上，并且端部与另一个悬臂梁基座4之间通过量程垫板5垫高，2个所述悬臂梁基座4分别通过对应的所述固定底座6与被测结构固定。