CN102162757A - 一种光纤光栅土压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体、压力传递部件及光纤光栅，特征是压力传递部件采取菱形结构，位于承压式顶盖与底板之间并与承压式顶盖及底板保持接触，压力传递部件与传感器壳体的左、右侧壁之间留有间隙，光栅粘贴在金属弹性膜片上，金属弹性膜片设置在压力传递部件的左、右角之间的横向对角线上，金属弹性膜片的两侧固定在压力传递部件的左、右角上。本发明具有量程大、精度高、结构简易以及有利于整体结构微型化等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅土压力传感器，适用于埋入式土压力测量，如岩土、边坡、混凝土、道路及建筑物等受力检测和监测等。
背景技术
目前，用于岩土、混凝土等压力监测用传感器按其工作原理分类，主要包括电阻应变式、振弦式和光纤光栅式等。
电阻应变式土压力传感器是依靠电阻应变片在土压力的作用下而产生机械形变，其电阻值发生变化这一电阻应变效应而制作的，对于静态和动态土压力都能够进行测量，它的缺点是对温度比较敏感、长期稳定性差、输出信号较弱和对于大应变有较大的非线性等。
振弦式土压力传感器它是利用钢弦在不同张力作用下，具有不同的固定频率这一原理实现力的检测，采用频率作为传输信号，一般情况下该类传感器体积较大，且存在精度低、响应速度慢等缺点。
目前已报道的光纤光栅式土压力传感器，按其实现过程可概括为：①土压力通过传感器外壳受力面传递到一个悬臂梁，将光栅与悬臂梁粘贴，通过悬臂梁的形变来检测光栅波长漂移，从而达到测量压力的目的。该类结构传感器需要通过活动装置推动梁产生弯曲来完成力的测量过程，这既增大了器件的体积也增加了器件的复杂性，而且不能满足埋入被测土体使用。②土压力通过传感器外壳受力面，直接压到光栅两端，而使光栅绷紧而受力的方法。由于光纤光栅材料自身拉伸范围限制，这种传感器存在量程小、精度低，而且很难实现。③土压力通过传感器外壳受力面，传递给通过聚合物封装的光纤光栅结构上的方法。这种传感器光栅容易啁啾，而且量程较小，容易受封装聚合物温度、应力等特性影响等。
发明内容
为了解决上述光纤光栅土压力传感器的结构复杂、体积大、不容易实现以及量程、精度不够满意等问题，本发明提供了一种光纤光栅土压力传感器。
其技术解决方案是：
一种光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体、位于传感器壳体内的压力传递部件及能在压力传递部件作用下产生波长变化的光纤光栅，上述传感器壳体设置有底板与承压式顶盖，压力传递部件采取菱形结构，位于承压式顶盖与底板之间并与承压式顶盖及底板保持接触，压力传递部件与传感器壳体的左、右侧壁之间留有间隙，上述光纤光栅粘贴在金属弹性膜片上，该金属弹性膜片设置在压力传递部件的左、右角之间的横向对角线上，金属弹性膜片的两侧固定在压力传递部件的左、右角上。
上述传感器壳体为圆柱形壳体；上述压力传递部件为钢制菱形件。
在上述传感器壳体的顶部设置有弹性胶垫，承压式顶盖安装在弹性胶垫上，由弹性胶垫支持承压式顶盖。
上述弹性胶垫安放在传感器壳体的上部内壁面上开设的梯形槽内。
上述金属弹性膜片在粘贴光纤光栅时，先打磨平整，然后再施加一定的压力，使光纤光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸。
上述光纤光栅的输入与输出端通过包括但不限于传感器壳体的侧壁上的光纤引入口，与外界光缆连接。
上述压力传递部件的上、下角，分别使用螺钉固定连接在承压式顶盖与底板的内壁上。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明光纤光栅土压力传感器，通过在传感器壳体内部设置菱形结构的压力传递部件，土压力通过承压式顶盖作用到压力传递部件，作用在压力传递部件上的力分解为作用到金属弹性膜片上的横向压力，在压力传递部件作用下金属弹性膜片能够产生相应的横向形变，可以很好地将纵向土压力转换成对光纤光栅的横向拉力，具有量程大、精度高、结构简易以及有利于整体结构微型化等特点。此外，由于上述压力传递部件能够以金属弹性膜片为基准成上、下对称式结构，可以特别有效地将纵向压力转换成对光纤光栅的横向拉力，避免出现光纤光栅因受力不均而带来的啁啾现象；在上述传感器壳体的顶部设置有弹性胶垫，由弹性胶垫支持承压式顶盖，能够使承压式顶盖对压力传递部件的作用力更加集中。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图。
具体实施方式
参看图1，一种光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体3、位于传感器壳体内的压力传递部件5及能在压力传递部件作用下产生波长变化的光纤光栅7。上述传感器壳体3为圆柱形壳体，设置有底板与承压式顶盖1，在传感器壳体3的顶部设置有弹性胶垫2，弹性胶垫2安放在传感器壳体3的顶部内壁面上开设的梯形槽4内，承压式顶盖1安装在弹性胶垫2上，由弹性胶垫2支持承压式顶盖1，该技术手段可使承压式顶盖接受的土压力完全作用于压力传递部件上，使其受力更加集中，保证其形变更准确地反映压力的大小。上述压力传递部件5采取菱形结构，优选为钢制菱形件，压力传递部件5位于承压式顶盖1与底板之间并与承压式顶盖及底板保持接触，压力传递部件5的上角，使用螺钉固定连接在承压式顶盖1的内壁上，其下角使用螺钉固定连接在底板的内壁上，压力传递部件5与传感器壳体3的左、右侧壁之间留有间隙。上述光纤光栅7粘贴在金属弹性膜片6上，金属弹性膜片在粘贴光纤光栅时，先打磨平整，然后再施加一定的压力，使光纤光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸，对金属弹性膜片采取如此处理可有效提高光纤光栅的灵敏度；金属弹性膜片6设置在压力传递部件5的左、右角之间的横向对角线上，金属弹性膜片6的两侧固定在压力传递部件的左、右角上，作用在压力传递部件5上的力能被分解为作用到金属弹性膜片6上的横向压力，在压力传递部件5的作用下金属弹性膜片6能够产生相应的横向形变。上述光纤光栅7的输入与输出端通过传感器壳体3的侧壁上的光纤引入口8与外界光缆9连接。
下面以在温度不变的情况下、承压式顶盖承受土压力时为例来说明压力变化与光纤光栅波长的变化的关系。
当光纤光栅只受到均匀轴向应力作用，而其它方向应力为零时，光纤光栅波长漂移量Δλ与轴向应变ε的关系为
Δλ＝λ(1-Pe)ε
式中Pe是光纤的弹光系数。
当承压式顶盖承受的压力为P时，通过力学分析，可知，通过钢制菱形件可将纵向的压力P转化为轴向的拉力F，有
F＝2Pcotα
其中，α为钢制菱形件轴向夹角的一半。
而金属弹性膜片的应变ε膜片可以表达为
其中，E为膜片的杨氏模量，S为膜片的横截面积。
整理可得到最后该结构传感器中，光纤光栅中心波长漂移量Δλ的表达式
Δλ＝λ(1-Pe)F cotα/ES
需要补充说明的是，本发明中诸如通过选择不同弹性模量的材料、改变钢制菱形件轴向夹角和壁厚设计，可以获得不同量程和灵敏度需要的各类传感器。
以上对本发明的具体描述旨在说明具体实施方案的实现方式，不能理解为是对本发明的限制。本领域普通技术人员在本发明的教导下，可以在详述的实施方案的基础上做出各种变体，这些变体均应包含在本发明的构思之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限制。
Claims (7)
1.一种光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体、位于传感器壳体内的压力传递部件及能在压力传递部件作用下产生波长变化的光纤光栅，其特征在于：所述传感器壳体设置有底板与承压式顶盖，压力传递部件采取菱形结构，位于承压式顶盖与底板之间并与承压式顶盖及底板保持接触，压力传递部件与传感器壳体的左、右侧壁之间留有间隙，所述光纤光栅粘贴在金属弹性膜片上，该金属弹性膜片设置在压力传递部件的左、右角之间的横向对角线上，金属弹性膜片的两侧固定在压力传递部件的左、右角上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述传感器壳体为圆柱形壳体；所述压力传递部件为钢制菱形件。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：在所述传感器壳体的顶部设置有弹性胶垫，承压式顶盖安装在弹性胶垫上，由弹性胶垫支持承压式顶盖。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述弹性胶垫安放在传感器壳体的上部内壁面上开设的梯形槽内。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述金属弹性膜片在粘贴光纤光栅时，先打磨平整，然后再施加一定的压力，使光纤光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述光纤光栅的输入与输出端通过包括但不限于传感器壳体的侧壁上的光纤引入口，与外界光缆连接。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述压力传递部件的上、下角，分别使用螺钉固定连接在承压式顶盖与底板的内壁上。
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