CN102183210B

CN102183210B - 可扩张式光纤光栅应变传感器

Info

Publication number: CN102183210B
Application number: CN 201110073212
Authority: CN
Inventors: 亢俊健; 王广祥; 朱月红; 文继华
Original assignee: Shijiazhuang University of Economics
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd; Shijiazhuang University of Economics
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102183210A

Abstract

本发明涉及一种可扩张式光纤光栅应变传感器，本发明包括固定座、穿置在固定座上的中心杆、通过铰连轴设置在中心杆上的相互铰连的两个固定侧板、通过铰连轴分别与两个固定侧板铰连的两个滑动侧板、套装在中心杆上的调节杆、设置在固定侧板和滑动侧板间的上下两个顶板以及设置在两个滑动侧板上的光纤光栅。利用本发明传感器测量被测物体时，通过推动调节杆调整两个固定侧板和两个滑动侧板的位置，由于四个侧板呈菱形设置，可根据矿山、围岩等本体上打的小孔的大小调整传感器的高度，使上下两个顶板直接顶住小孔内壁，实现了传感器的可扩张。

Description

可扩张式光纤光栅应变传感器

技术领域

本发明涉及一种可扩张式光纤光栅应变传感器。

背景技术

煤矿井下作业是高危险环境作业，在采掘工作面经常发生冒顶和煤与瓦斯突出事故。在这些事故发生前往往有比较明显的预兆，井下有经验的工人可以通过煤层发出的声音来判断冒顶或煤与瓦斯突出前的征兆。

目前在矿井中使用的主要是使用电信号的传感器，这种传感器现在比较成熟，精度也比较高，但是因为它使用电信号作为传输信号，会产生微弱的电火花，当矿井中瓦斯浓度高到一定程度的时候，有可能会引起瓦斯的爆炸，影响矿井的安全。

相比较电信号的传感器，使用光纤光栅传感器有如下优点：

1）光纤光栅使用的是光信号，不会产生电火花，所以在矿井使用时会比电信号的传感器有更好的安全性

2）光纤光栅传感器在井下使用光缆连接，不使用电源，从而避免因电源干扰产生的错误信息

3）在一根光缆上可以串接数十个光纤光栅传感器，在巷道中危险操作面等需要的部位可以密集的安装，因此在任何部位发生异常现象，都能及时传输到井上，这样就可及时通知井下所有矿工立即撤离，从而保障了矿工们的生命安全

4）光纤光栅传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器。通过待测量调制入射光束的波长，测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数，不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或者光源能量的影响，因此比其他的方式更加稳定、准确。

在对钢筋混凝土等结构的检测中，以前是利用电阻应变计进行应变检测。但是由于电阻应变计的诸多缺点，例如容易受电磁信号干扰、受外界环境腐蚀、埋入工艺复杂、寿命短、导线埋入数量多等，所以使其无法满足实时、在线的机构监测要求。近年来，很多地方使用光纤光栅替代电阻应变计，将光纤光栅埋入到混凝土结构中来监测应变。但是光纤光栅非常细，抗剪切能力差，单独将它埋入到混凝土等结构中非常困难，所以一般是将裸光栅粘贴在受力钢筋、结构表面或者采用其他的特殊方式封装光纤光栅后埋入混凝土。

在国际上光纤光栅传感器的主流封装方式为表面粘贴式和细径管保护式。英国的Smart Fibers公司将FBG（布拉格光纤光栅）粘在胶基板上；瑞士的Smartec公司通过管式封装补偿温度的影响；Whelan等将FBG封装在钢管中两端固定在大理石板上，监测意大利Como湖畔的大教堂。

在国内，周智博士等开发了不锈钢毛细管式封装光纤光栅传感器；李东生等将光纤光栅封装在有机玻璃上对同样是有机玻璃的模型进行了测试。

目前现有的光纤光栅应变传感器，大致采用如下几种方式实现测量：（1）把光纤光栅传感器预先埋藏到待测物体中；（2）把光纤光栅传感器粘贴到待测物体表面；（3）使用螺钉等方式把传感器固定到待测物体表面。

在用于监测桥梁、公路等时，可以在公路或者桥梁建设阶段，把光纤光栅传感器预先埋在公路或者桥梁的合适位置，从而实现桥梁等的长期监测。这种方式可以在不影响本体性能的情况下较为准确的测量应变、温度等值。

在矿山或者围岩检测中以上几种安装方式会受检测条件的局限，无法发挥光纤光栅传感器的优势。

这主要是因为：

（1）在用于矿山监测时，不可能像桥梁一样，在新建桥梁的铺设阶段，在桥面预先埋设光纤光栅传感器，作为后期的传感器件；

（2）在围岩、矿山上打孔，孔的尺寸不可能非常准确，孔内壁非常不平滑，不可能用胶直接粘贴在孔内壁；

（3）为了不影响矿山的性能，打孔直径要尽量小、长度要尽量短，这也限制了螺钉等光纤光栅传感器的固定方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于矿山、围岩监测且测量结果精确可靠的可扩张式光纤光栅应变传感器。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

本发明包括固定座、穿置在固定座上的中心杆、通过第一铰连轴设置在中心杆上的相互铰连的两个固定侧板、通过第三铰连轴分别与两个固定侧板铰连的两个滑动侧板、套装在中心杆上的调节杆、设置在固定侧板和滑动侧板间的上下两个顶板以及设置在两个滑动侧板上的光纤光栅，所述的两个滑动侧板通过第二铰连轴相铰连，所述的两个固定侧板和滑动侧板呈菱形设置，所述的两个固定侧板的第一铰连轴固定在中心杆上的固定孔中，所述调节杆的一端与两个滑动侧板的第二铰连轴相铰连，所述的第二铰连轴设置在中心杆上的滑槽中，推动固定座，调节杆在中心杆上移动，第二铰连轴在滑槽中移动，两个滑动侧板带动两个顶板上下移动，所述的光纤光栅设置在滑动侧板侧面的凹槽内。

所述的顶板设置在第三铰连轴上。

所述的固定座上设置有固定孔。

本发明的积极效果如下：

利用本发明传感器测量被测物体时，通过推动调节杆调整两个固定侧板和两个滑动侧板的位置，由于四个侧板呈菱形设置，可根据矿山、围岩等本体上打的小孔的大小调整传感器的高度，使上下两个顶板直接顶住小孔内壁，实现了传感器的可扩张。然后将中心杆另一端卡置在固定座中，由于调节杆的外形尺寸大于中心杆的外形尺寸，此时固定座顶住调节杆，起到固定的作用。当矿山有微小形变时，紧密贴合在矿山孔壁的顶板会往中轴方向压缩，使滑动侧板弯曲变形带动光纤光栅弯曲变形，通过外部的光纤光栅分析仪读取中心波长，得出岩体的应变值。光纤光栅直接封装在滑动侧板的表面凹槽内，减少了系统的测量误差；在测量结束后，可以通过调节杆调小测量直径，来抽出测量装置，达到重复利用的效果。

附图说明

图1 为本发明结构示意图；

图2为本发明中心杆结构示意图；

图3为本发明滑动侧板的凹槽内设置有光纤光栅结构示意图。

在附图中，1第一铰连轴、2固定侧板、3顶板、4滑动侧板、5调节杆、6中心杆、7固定座、8滑槽、9光纤光栅、10凹槽、11固定孔、12第二铰连轴、13第三铰连轴、14固定孔。

具体实施方式

如附图1—3所示，为本发明的一个具体实施例，它包括固定座7、穿置在固定座7上的中心杆6、通过第一铰连轴1设置在中心杆6上的相互铰连的两个固定侧板2、通过第三第一铰连轴13分别与两个固定侧板2铰连的两个滑动侧板4、套装在中心杆6上的调节杆5、设置在固定侧板2和滑动侧板4间的上下两个顶板3以及设置在两个滑动侧板4上的光纤光栅9，所述的两个滑动侧板4通过第二第一铰连轴12相铰连，所述的两个固定侧板2和滑动侧板4呈菱形设置，所述的两个固定侧板2的第一铰连轴1固定在中心杆6上的固定孔11中，所述调节杆5的一端与两个滑动侧板4的第二第一铰连轴12相铰连，所述的第二第一铰连轴12设置在中心杆6上的滑槽8中，推动固定座7，调节杆5在中心杆6上移动，第二第一铰连轴12在滑槽8中移动，两个滑动侧板4带动两个顶板3上下移动，所述的光纤光栅9设置在滑动侧板4侧面的凹槽10内。所述的顶板3设置在第三第一铰连轴13上。所述的固定座7上设置有固定孔14。

如附图3所示，本实施例两个滑动侧板4上设置有正方体凹槽10，其深度为0.9mm，用双组分的M-Bond 610胶将两段不同波长的光纤光栅分别封装在两个滑动侧板4上，光纤光栅中心波长的选择要根据所使用的光纤光栅分析仪的波长测量范围、波长分辨率等参数进行选择，并把光纤光栅连接到外面的光纤光栅分析仪上。

在岩壁上打孔后，把本实施例传感器放入孔内，通过推动留在外面的传感器调节杆5，带动滑动侧板4沿滑槽8向里移动，使整个菱形侧板扩张到相应的尺寸，此时上下两个顶板3直接顶住矿山、围岩等本体上打的小孔内壁，然后将中心杆6另一端卡置在固定座7中，固定座7上设置有与中心杆6尺寸相同的孔，由于调节杆5的外形尺寸大于中心杆6的外形尺寸，推动固定座7顶住调节杆5，使调节杆5的位置固定，再将固定座通过固定孔14用铆钉固定在岩石等固定的位置。当矿山有微小形变时，紧密贴合在矿山孔壁的顶板3也随着发生形变，会往中轴方向压缩，使滑动侧板4弯曲变形带动光纤光栅9弯曲变形，通过外部的光纤光栅分析仪读取中心波长，转化成形变量，从而测量出岩壁形变值。

本实施例光纤光栅9直接封装在滑动侧板4的表面凹槽10内，减少了系统的测量误差；在测量结束后，可以通过调节杆5调小测量直径，来抽出测量装置，达到重复利用的效果。

本实施例光纤光栅传感器可套装在带有槽口的套筒中使用。光纤光栅传感器1伸入套筒中，在与顶板3对应的上下位置设置有两个槽口，顶板3伸出槽口，顶板3的宽度宽于套筒槽口的宽度，以保证固定后的顶板不会有旋转运动，只能在槽口的垂直方向上抬升和降落。套筒作为保护装置，光纤光栅9封装后，利用套筒进行进一步的保护，使光纤光栅传感器更安全可靠，有效的减少了灰尘及颗粒划伤光纤光栅的几率。

Claims

1.一种可扩张式光纤光栅应变传感器，其特征在于其包括固定座（7）、穿置在固定座（7）上的中心杆（6）、通过第一铰连轴（1）设置在中心杆（6）上的相互铰连的两个固定侧板（2）、通过第三铰连轴（13）分别与两个固定侧板（2）铰连的两个滑动侧板（4）、套装在中心杆（6）上的调节杆（5）、设置在固定侧板（2）和滑动侧板（4）间的上下两个顶板（3）以及设置在两个滑动侧板（4）上的光纤光栅（9），所述的两个滑动侧板（4）通过第二铰连轴（12）相铰连，所述的两个固定侧板（2）和滑动侧板（4）呈菱形设置，所述的两个固定侧板（2）的第一铰连轴（1）固定在中心杆（6）上的固定孔（11）中，所述调节杆（5）的一端与两个滑动侧板（4）的第二铰连轴（12）相铰连，所述的第二铰连轴（12）设置在中心杆（6）上的滑槽（8）中，推动固定座（7），调节杆（5）在中心杆（6）上移动，第二铰连轴（12）在滑槽（8）中移动，两个滑动侧板（4）带动两个顶板（3）上下移动，所述的光纤光栅（9）设置在滑动侧板（4）侧面的凹槽（10）内。

2.根据权利要求1所述的一种可扩张式光纤光栅应变传感器，其特征在于所述的顶板（3）设置在第三铰连轴（13）上。

3.根据权利要求2所述的一种可扩张式光纤光栅应变传感器，其特征在于所述的固定座（7）上设置有固定孔（14）。