CN101413836B - 光纤光栅土压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤光栅土压力传感器，其特征是：承压盘(1)与圆腔壳体(6)连接，圆腔壳体(6)与圆盘盖(11)连接；圆腔壳体(6)底端有两个楔形盲孔(12)，两个固定柱(5)楔入两个楔形盲孔(12)内；固定柱(5)上有固性夹板(13)和缓冲夹板(14)，固夹板(13)固定在测力光栅(9)两端，缓冲夹板(14)固定在温度补偿光栅(8)两端，测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)串联后两端由光栅端口(10)与输入输出光纤(7)连接，通过光纤光栅解调仪测量出测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)的波长值做减法得到真实土压力的值。它灵敏度高、抗电磁干扰、稳定性好，可以长期监测滑坡体变形、路基沉降、隧道顶部变形、桥梁变形。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感在建筑体、桥梁、滑坡等土压力应用领域，确切讲是光纤光栅土压力传感器。
背景技术
传统的土压力传感器无法排除温度影响，测量精度低，无法实现分布式测量。而现有的光纤光栅土压力传感器将光栅粘贴于弹性板上，光栅受力曲线不是线性而是一个抛物线，会导致光栅波长的失真，而且将光栅粘贴于弹性板上，等于在测量的时候增加了本体噪声，影响了测量结果。
虽然在温度补偿上，现有的光纤光栅传感器也是采用了粘贴于相同材料的方法，这种方法无法避免因粘贴工艺和粘贴材料引起的误差，也会降低测量结果的真实性。
发明内容
本发明的目的是提供了一种高灵敏度、高精度、抗电磁干扰、稳定性好的光纤光栅土压力传感器，以便能长期监测滑坡体变形、路基沉降、隧道顶部变形、桥梁变形。
本发明的目的是这样实现的，光纤光栅土压力传感器，其特征是：包括承压盘、圆盘盖和圆腔壳体构成的壳体及测力光栅和温度补偿光栅，承压盘与圆腔壳体之间用螺纹连接，圆腔壳体与圆盘盖用螺纹连接；圆腔壳体底端对称开有两个楔形盲孔，两个固定柱楔入两个楔形盲孔内；固定柱上部有固性夹板和缓冲夹板，对称的两个固夹板固定在测力光栅两端，对称的缓冲夹板固定在温度补偿光栅两端，测力光栅和温度补偿光栅串联，测力光栅和温度补偿光栅串联后两端由光栅端口与输入输出光纤连接，通过光纤光栅解调仪测量出测力光栅和温度补偿光栅的波长变化，得到土压力与波长变化的对应关系，将测力光栅和温度补偿光栅的波长值做减法得到真实土压力的值。
所述的圆腔壳体底部有螺纹圆台，承压盘对应圆腔壳体底部的螺纹圆台有螺纹圆腔，螺纹圆腔中心与承压盘中心同心，螺纹圆腔外侧有承压盘边腔，承压盘边腔中心与承压盘中心同心，承压盘边腔高度低于螺纹圆腔高度。
本发明有以下结构特征：
1、端盖与弹性壳体、弹性壳体与承压盘直接为螺纹连接，端盖与弹性壳体连接处有密封胶，弹性壳体与承压盘连接处有密封圈。
2、固定柱与弹性壳体是楔形连接，而后用环氧胶固定。
3、固定与固定柱螺纹连接。
4、弹性壳体光纤引出孔有开口螺栓。
5、光纤引出后连接单芯光缆。
6、光纤光栅悬浮是指将光纤两端固定，将光栅部分悬浮。
7、用做温度补偿的光前光栅是自然悬浮，两端未固定。
本发明的优点有：1、测量灵敏度高，精度高，避免了因粘贴引起的本体噪声；2、将光纤光栅悬浮，保证了光栅的线性变化；3、结构简单、成本低，适合与产业化生产；4、弹性壳体两侧均有光纤引出孔，便于串联和组成传感网络；5、实现了温度补偿，同时可以测量环境温度。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例结构示意图。
图中：1、承压盘；2、承压盘边腔；3、螺纹圆腔；4、螺纹圆台；5、固定柱；6、圆腔壳体；7、光纤；8、温度补偿光栅；9、测力光栅；10、光栅端口；11、圆盘盖；12、楔形盲孔；13、固性夹板；14、缓冲夹板。
具体实施方式
如图1所示，包括承压盘1、圆盘盖11和圆腔壳体6，承压盘1与圆腔壳体6之间用螺纹连接，圆腔壳体6与圆盘盖11用螺纹连接；圆腔壳体6底端对称开有两个楔形盲孔12，两个固定柱5楔入两个楔形盲孔12内。固定柱5上部有固性夹板13和缓冲夹板14，对称的两个固性夹板13用于固定测力光栅9两端，对称的缓冲夹板14用于固定温度补偿光栅8两端，测力光栅9和温度补偿光栅8串联，测力光栅9和温度补偿光栅8串联后两端由光栅端口10与光纤7连接。
圆腔壳体6底部有螺纹圆台4，承压盘1对应圆腔壳体6底部的螺纹圆台有螺纹圆腔3，螺纹圆腔3中心与承压盘1中心同心，螺纹圆腔3外侧有承压盘边腔2，承压盘边腔2中心与承压盘1中心同心，承压盘边腔2高度低于螺纹圆腔3高度。
本发明将土压力转换为承压盘1薄板的挠曲变形，而后又通过承压盘1固定柱上固定的测力光栅9将薄板的挠曲变形转换为光纤光栅的线性变形。光纤光栅是一种在由光纤刻制而成的波长选择反射器，其背向反射光中心波长λB与光栅周期Λ和纤芯折射率neff有关，即
λB＝2neffΛ 公式(1)
FBG光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移ΔλB，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。即
ΔλB＝Kε·Δε+KT·ΔT 公式(2)
式中Kε为应变传感灵敏度系数，KT为光纤光栅温度传感灵敏度系数。
根据上述特性，首先使用光纤光栅解调仪测量出光纤光栅的波长变化，而后根据公式(2)即可得到土压力与波长变化的对应关系。温度补偿要求补偿光栅和受力光栅处在同一状态，采用将补偿光栅同样悬浮，环境和状态相同，所以只需将测力光栅9和温度补偿光栅8的波长值做减法而后对应公式(2)，即可得到真实土压力的值。
与传感器土压力传感器相比，采用光纤光栅做传感材料，光纤光栅具有它独特的优点：体积小、重量轻、便于组成传感网络；抗电磁干扰、耐腐蚀、稳定性、重复性好；高灵敏度、高分辨率；测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；与现有的光纤光栅传感器相比，本专利将光纤光栅悬浮，确保其发生线性变形，同时，因为不需要粘贴，也就排除粘贴工艺和材料的影响。
Claims (2)
1.光纤光栅土压力传感器，其特征是：包括承压盘(1)、圆盘盖(11)和圆腔壳体(6)构成的壳体及测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)，承压盘(1)与圆腔壳体(6)之间用螺纹连接，圆腔壳体(6)与圆盘盖(11)用螺纹连接；圆腔壳体(6)底端对称开有两个楔形盲孔(12)，两个固定柱(5)楔入两个楔形盲孔(12)内；固定柱(5)上部有固性夹板(13)和缓冲夹板(14)，对称的两个固性夹板(13)固定在测力光栅(9)两端，对称的缓冲夹板(14)固定在温度补偿光栅(8)两端，测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)串联，测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)串联后两端由光栅端口(10)与输入输出光纤(7)连接，通过光纤光栅解调仪测量出测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)的波长变化，得到土压力与波长变化的对应关系，将测力光栅(9)和温度补偿光栅(8)的波长值做减法得到真实土压力的值。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征是：所述的圆腔壳体(6)底部有螺纹圆台(4)，承压盘(1)对应圆腔壳体(6)底部的螺纹圆台有螺纹圆腔(3)，螺纹圆腔(3)中心与承压盘(1)中心同心，螺纹圆腔(3)外侧有承压盘边腔(2)，承压盘边腔(2)中心与承压盘(1)中心同心，承压盘边腔(2)高度低于螺纹圆腔(3)高度。
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