一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统技术领域
本发明涉及一种土体沉降观测系统，尤其涉及一种全自动土体沉降观测系统。
背景技术
岩土工程领域中，变形以及稳定是两大基本难点，而土体的变形是许多工程人员
极为关注的问题之一。目前常见的土体沉降测试方法主要是通过变形板配套LVDT或者百分
表来观测。LVDT是通过电磁感应的原理来测试沉降，在变形板发生沉降的过程中，在一定范
围内变形板的沉降与电压呈线性变化，通过测试LVDT的电压从而转换成沉降。LVDT的精度
随量程的变化而变化，一般为量程的0.24％，即如若量程为10cm，那么其精度为0.24mm。然
而由于LVDT为电感式传感器，在实际操作过程中，常常受到电磁干扰的影响，在极大程度上
影响到了其工作精度。如若用百分表测试变形板的沉降，其数据有较高的可靠性，并且精度
较高，精度可以达到0.01mm，然而需要人工读数，不能全自动记录数据，这在一定程度上为
后期数据的处理和分析带来了一定的弊端。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系
统，本测量系统采用光纤传感器，避免了电磁干扰的影响，同时还具有温度补偿功能，本发
明所提出的测量系统工作稳定、测量精度高，并且可以根据测量需求进行调节和更改，能够
适应绝大多数沉降面的测量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于布拉格光栅的土体沉降
观测系统，包括变形板、固定板、沉降杆和变形板，所述的沉降杆设置在所述的变形板上，所
述的变形板一端固定在固定板上另一端与沉降杆连接，其特征为，所述的变形板中部设置
有变形测试布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅通过单模单芯光纤连接温度补偿
布拉格裸光栅，所述的变形测试布拉格裸光栅和所述的温度补偿布拉格裸光栅都连接至布
拉格光栅解调仪。
上述技术方案中，优选的，所述的沉降杆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连接，所述的连接套管上还设置有附重块，所述的下段部和
所述的连接套管上套设有沉降套管，所述的沉降套管顶部与所述的附重块之间具有空隙。
上述技术方案中，优选的，所述的变形板为等腰三角形，所述变形板的顶角固定在
所述的沉降杆顶部，在所述变形板上与顶角相对的底边固定在所述的固定板上，所述的变
形测试布拉格裸光栅设置在变形板的中心线上。
上述技术方案中，优选的，所述的温度补偿布拉格裸光栅放置在空心套管内。
上述技术方案中，优选的，所述的固定板一侧设置有凹槽，所述变形板的底边可在
凹槽内移动，所述的变形板通过螺栓固定在所述的固定板上。
上述技术方案中，优选的，所述的连接套管外表面有外螺纹，所述的附重块中间有
内螺纹，所述的附重块可通过螺纹与连接套管固定并上下移动。
上述技术方案中，优选的，所述的布拉格光栅解调仪分辨率至少为到1με，采样率
至少为每秒500个数据。
在岩土工程领域中，工程人员为了分析土体的变形机理，常常需用通过某种手段
测试土体沉降。常见的土体沉降测试方法主要有LVDT以及百分表。对于LVDT，通常受到电磁
干扰的影响，其工作精度常常会大打折扣；对于百分表，其数据不能实时记录，需要较多的
人力去记录数据，并且其数据的连贯性很难保证。本发明提供了一种基于光纤传感器的土
体沉降测试系统，该系统用布拉格光栅传感器测试变形板的应变，在此基础上将变形板的
应变转换为变形板端部的挠度，以此测试得到沉降杆的沉降，从而测试得到变形板所处位
置土体的沉降。
本发明系统的理论依据为：假定变形板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，变形板和沉降杆可以无约束上下移动。则相应的变形板的竖向位移同为
S，同理变形板的竖向位移通过沉降杆传递至变形板的端部，则变形板端部的挠度w也为S。
假定变形板端部的挠度为w时，变形板所受沉降杆的集中力为F。变形板的挠度微分方程w″
(x)为：w″(x)式中x为变形板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·h3/12l。I(x)式中B变形板与固定板交接处的宽度，h为变形板的厚度，l变形板的长
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：
由于变形板与固定板
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：C1＝0，C2
＝0。则，由于变形板端部的挠度w(l)即
为变形板6的竖向位移S，为此有由于变形板端部集中力F的作用线，变形
板上部的应变ε为：W(x)为x位置处的抗弯刚度，则W(x)＝B·(l-x)·h2/6l，将W
(x)带入可的又可的将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本发明的测量精度和变形板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一般由布拉格裸光栅出厂参数提供。本发明通过变形板
与土体的同步沉降来测量土体的沉降变形，而变形板通过沉降杆与变形板相连接，为了保
证变形板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变形板能够产生
足够的挠度变形。而变形板的挠度变形主要依托沉降杆、变形板以及附重块的自重产生。为
此沉降杆、变形板以及附重块三者的自重和所能产生的变形板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Smax，则有
εmax为最大量程Smax所对应变形板应变，将εmax代入有这样
Fmax就为沉降观测系统为达到量程为Smax时所需附重块的最小附重。
与现有技术相比，本测量系统采用光纤传感器，避免了电磁干扰的影响，同时还具
有温度补偿功能，本发明所提出的测量系统工作稳定、测量精度高，并且可以根据测量需求
进行调节和更改，能够适应绝大多数沉降面的测量。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的侧视图图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1，如图1和图2所示：一种基于布拉格光栅的土体沉降观测系统，包括变形
板1、固定板2、沉降杆3和变形板6，所述的沉降杆3设置在所述的变形板6上，所述的变形板1
一端固定在固定板2上另一端与沉降杆3连接。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之间具有空隙。所述的连接套管4外表面有外螺纹，所述的附重块7中间有内螺纹，所述
的附重块7可通过螺纹与连接套管4固定并上下移动。所述的变形板1为等腰三角形，所述变
形板1的顶角固定在所述的沉降杆3顶部，在所述变形板1上与顶角相对的底边固定在所述
的固定板2上，所述的固定板2一侧设置有凹槽，所述变形板1的底边可在凹槽内移动，所述
的变形板1通过螺栓13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设置在变
形板1中心线上。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。所述的温度补偿布拉格裸光栅9放置在空心套管12内。所述的布拉格光栅
解调仪分11辨率至少为到1με，采样率至少为每秒500个数据。
变形板1宜采用弹性较好并且弹性模量较低的材料，以保证其具有较好的变形能
力，优选地，变形板1可以选用镁铝合金作为制作材料，变形板的具体尺寸可以根据测量精
度以及测量量程进行调整，并根据计算确定。固定板2宜选用弹性模量较大的材料，以保证
沉降观测系统在变形过程中其变形不会对测量精度造成影响，优选地，固定板2可以选用碳
素钢。沉降杆3、沉降套管4、连接套管5、变形板6、附重块7可以选用普通钢材制作完成。其具
体尺寸可以根据需要确定，但是应保证沉降套管4的空腔直径大于连接套管5的外径以及沉
降杆3的外径。变形板6的尺寸可以根据实际测试土体的颗粒粒径大小确定，优选地，变形板
6的尺寸大小一般为10倍左右的土体颗粒粒径，但是不宜小于10cm，其形状宜选用正方形形
状。变形测试布拉格裸光栅8可以布置在变形板1中线处的任意位置，并用环氧树脂粘贴在
变形板1表面，优选地，应在环氧树脂固化24小时后方可投入使用。温度补偿布拉格裸光栅9
外部的空心套管12可以采用直径为5mm长度为5cm的空心套管。布拉格光栅解调仪11可以选
用Micron公司生产的光栅解调仪，其分辨率可以达到1με，采样率可以达到每秒500个数据。
本发明的具体操作包括：安装固定，根据精度以及量程需要选取并制作合适尺寸
以及合适材料的变形板1，对沉降观测系统进行组装。依据测量土体沉降的所需精度以及所
需量程选取合适的变形板1材料和合适的变形板1尺寸，然后根据所需测量沉降的土体性质
以及土层所在位置深度确定变形板6的尺寸以及沉降杆3和沉降套管4的长度。依据测量土
体所需的量程以及变形板1的弹性模量以及变形板1的尺寸确定附重块7的重量，为保证一
定的余量，附重块7、变形板6以及沉降杆3的自重之和宜大于最小附重Fmax的20％至30％之
间。将变形板1放置于固定板2的空腔内，并用螺栓13固定。将沉降杆3的上部分焊接固定在
变形板1的端部，将沉降杆3的下部分固定在变形板6的中部，将沉降套管4套在与变形板6固
定的沉降杆3上。用附重块7套在连接套管5外侧，并用连接套管5连接两节沉降杆3。通过螺
纹调节附重块7的竖向位移，保证附重块7底部与沉降套管4顶部有一定的距离。将变形测试
裸光栅8用环氧树脂粘贴在变形板1上部中线上的任意位置，将温度补偿布拉格裸光栅9放
置于空心套管12内。将变形测试布拉格裸光栅8与温度补偿布拉格裸光栅9通过单模单芯光
纤10连接，将布拉格光栅通过单模单芯光纤10与布拉格光栅解调仪11连接。
沉降标定，将制作好的沉降观测系统进行标定，测试变形板6的竖向位移与布拉格
光栅波长变化值之间的关系，得到标定系数。将沉降观测系统通过固定板2固定在周边无沉
降的物体上。手动控制变形板6的竖向位移，并用百分表测试和记录其位移，并同时测试布
拉格光栅的波长变形值，测试并得到变形板6竖向位移关于布拉格光栅波长变化值之间的
变化系数。中变形板6竖向位移关于布拉格光栅波长变化值之间的变化系数可以依据标定
实验测得，也可以依据理论计算系数确定。
现场测试，将沉降观测系统中的变形板6埋入土体中，通过布拉格光栅解调仪11测
试布拉格光栅波长的变化值，利用标定系数或者理论系数得到土体的沉降。将焊接有沉降
杆3的变形板6布置于所需测试沉降的土层上，将沉降套管,5套在沉降杆3上，沉降套管5应
露出土体表层10cm～15cm。将变形板1通过板固定板2固定在周围无沉降的物体上，并保证
变形板1与固定板2交接处固定无位移。将附重块7套在连接套管5外侧，将两节沉降杆3通过
连接套管5连接.调节附重块7的竖向距离，保证附重块7底部与沉降套管4顶部有一定的距
离。用布拉格光栅解调仪11测量布拉格光栅的波长，并通过标定系数或理论系数换算得到
土体沉降。