CN102252624B

CN102252624B - 光纤光栅沉降传感器

Info

Publication number: CN102252624B
Application number: CN2011101866864A
Authority: CN
Inventors: 龚元; 吴宇; 饶云江; 杜磊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102252624A

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅沉降传感器，包括传感器底座、传感段和传感器上盖，传感器底座与传感段通过螺丝紧固，传感器底座和传感段通过压力膜片形成一压力室，压力室下部设有进液孔，压力膜片的硬心与连杆固定连接，连杆尖部通过小孔与等强度悬臂梁活动连接，等强度悬臂梁被压块固定在开有方孔的基底上，等强度悬臂梁上设置有压力传感光栅，另一个相同的等强度悬臂梁上设置有温度传感光栅，与压力传感光栅和温度传感光栅相连的光纤通过传感器壁上的小孔穿出。本发明具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、成本低等优点，将本发明安装在铁路、公路等沉降易发区域，可精确测量地基沉降。

Description

光纤光栅沉降传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的沉降传感器。

背景技术

由于高层建筑物施工、地下采矿或过度开采地下水、软土路基下沉等因素，会造成地基沉降。沉降观测对高层建筑物的安全、高铁行车安全等诸多方面都有十分重要的意义。传统的沉降观测手段效率较低，而且受人为因素或环境因素影响较大，自动化程度和测量精度都不能满足实际需求。

光纤光栅传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一，可测量应变、温度、压力、位移、流量、液位等参数。其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量来测量上述参数。目前，国内外采用光纤光栅的压力或液位传感器非常多，但专门针对沉降监测的光纤光栅传感器的报道较少。

申请号201020187532.8、授权公告号CN201724687U的实用新型专利“一种测量地面沉降的装置”公开了一种基于光纤光栅测量沉降的装置，但该装置体积较大，推广应用存在一定困难。申请号201010235079.8、授权公告号CN101900533A的发明专利“用于路堤断面沉降监测的光纤光栅测量方法”公开了一种基于基于光纤光栅测量断面沉降的方法，但该方法施工量大，测量精度不高。还有一种浮球式光纤沉降传感器，通过浮球带动机械结构使光纤光栅产生应变，通过测量光栅特征波长的移动量来确定液位差，从而达到沉降监测的目的，但该传感器的量程、灵敏度、稳定性等性能受限于浮球的材料和特性，而且该传感器的体积随着量程的增加而增大，在推广应用方面也存在一定难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感器的缺点，提供测量范围大、测量精度高、结构简单、施工方便的光纤光栅沉降传感器。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种光纤光栅沉降传感器，包括传感器底座1、传感段2和传感器上盖3，传感器底座1与传感段2通过螺丝紧固，其特征在于：

传感段2的下部安装有压力膜片4，压力膜片4和传感器底座1之间形成压力室7，所述压力室7的下部设有进液孔8，所述进液孔8与外部连通管道连接；

所述压力膜片4的硬心12与连杆12固定连接，所述连杆12的尖部与通过小孔13与第一等强度悬臂梁14活动连接，第一等强度悬臂梁14被第一压块15固定在传感段2内部开有方孔20的基底上，第一等强度悬臂梁14上设置有压力传感光栅16；

在方孔20的另一边通过第二压块19固定设置有第二等强度悬臂梁17，所述第二等强度悬臂梁17上设置有温度传感光栅18，并与第一等强度悬臂梁14和第一压块15有一平移量，使第一等强度悬臂梁14和第二等强度悬臂梁17的尖端错开；

所述压力传感光栅16和温度传感光栅18串联，与压力传感光栅16和温度传感光栅18相连的光纤21通过器壁上的小孔22穿出。

按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器，其特征在于，所述压力室7的下端还设置有排气孔9，在传感器初次安装时，应通过排气孔9将压力室7内的残余空气排除，然后采用排气孔盖10将压力室7密封。

按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器，其特征在于，第一等强度悬臂梁14采用弹性合金材料制作，圆弧边与器壁内切，小孔13位于内切圆的中心，第一等强度悬臂梁14的厚度在0.1mm到1mm之间，顶角在10°到45°之间。

按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器，其特征在于，第二等强度悬臂梁17为等腰三角形，厚度与第一等强度悬臂梁14相同，其底边不与器壁接触，有效长度与第一等强度悬臂梁14一致。

按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器，其特征在于，所述压力膜片4为平膜片或者波纹膜片，厚度在0.04mm到0.5mm之间。

本发明利用压力膜片将液位差转换为膜片中心的挠度，并通过连杆传递到等强度悬臂梁的顶端，引起悬臂梁上光纤布拉格光栅的应变和波长变化，从而由波长变化可精确测量沉降引起的液位差变化。本发明通过改变压力膜片的厚度、等强度悬臂梁的厚度和长度可以方便的调节沉降测量范围和测量精度，适用于不同场合，而且具有体积小、安装简便、成本低等优点，便于进行大规模应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的光纤光栅沉降传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1的压力传感光栅和温度传感光栅装配示意图；

图3为本发明实施例2的沉降传感器的灵敏度试验结果；

图4为本发明实施例2的沉降传感器的稳定性试验结果；

图5为本发明实施例3的沉降传感器的灵敏度试验结果；

图6为本发明实施例4的沉降传感器的灵敏度试验结果；

图7为本发明实施例5的沉降传感器的灵敏度试验结果。

其中，1、传感器底座，2、传感段，3、传感器上盖，4、压力膜片，5、垫片，6、螺丝，7、压力室，8、进液孔，9、排气孔，10、排气孔盖，11、硬心，12、连杆，13、小孔，14、第一等强度悬臂梁；15、第一压块，16、压力传感光栅，17、第二等强度悬臂梁，18、温度传感光栅，19、第二压块，20、方孔，21、光纤，22、小孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明不限于这些实施例：

实施例1

实施例1由传感器底座1、传感段2、传感器上盖3组成，传感段2的下部安装压力膜片4，用垫片5压住后再用传感器底座1压紧，传感器底座1与传感段2之间用M6螺丝6紧固。传感器底座1和压力膜片4之间形成压力室7，压力室7的下部设有进液孔8和排气孔9，进液孔8和排气孔9采用螺纹连接或者直接焊接固定在传感器底座1上。在传感器初次安装时，应通过排气孔9将压力室7内的残余空气排除，然后采用排气孔盖10将压力室7密封。在沉降传感器安装时，进液孔8与外部连通管连接，连通管上接多个沉降传感器来实现沿线的沉降监测。连通管内液面与压力膜片之间的液位差会造成压力膜片4中心的挠度。膜片中心有硬心11与连杆12固定连接，连杆12尖部通过小孔13与等强度悬臂梁14活动连接，等强度悬臂梁14被压块15固定在传感段2内部开有方孔的基底上，等强度悬臂梁上设置有压力传感光栅16。等强度悬臂梁14近似为扇形，采用弹性合金材料制作，圆弧边与器壁内切，等强度悬臂梁14上的小孔13位于内切圆的中心，等强度悬臂梁14的厚度在0.1mm到1mm之间，顶角在10°到45°之间。等强度悬臂梁17为等腰三角形，厚度与等强度悬臂梁14相同，其底边不与器壁接触，固定时保证梁的有效长度与等强度悬臂梁14一致。等强度悬臂梁17上设置有温度传感光栅18，等强度悬臂梁17被压块19固定在方孔20的另一边，并与等强度悬臂梁14和压块15有一平移量，使等强度悬臂梁14和等强度悬臂梁17的尖端错开，如图2所示。传感光栅16和温度传感光栅18串联，与压力传感光栅16和温度传感光栅18相连的光纤21通过器壁上的小孔22穿出。图1中压力膜片采用平膜片，也可以采用波纹膜片，厚度在0.04mm到0.5mm之间。

传感器监测沉降过程中，连通管内液面保持不变，当传感器所在地表发生沉降时，连通管液面与压力膜片4之间的液位差发生变化，导致压力膜片4中心挠度变化，挠度通过连杆12传递到等强度悬臂梁14使其发生形变，引起压力传感光栅16的应变。通过测量压力传感光栅16的特征波长移动量来确定液位差的大小，从而得到地基的沉降量。温度传感光栅18用于补偿温度波动对沉降测量的影响，从而提高沉降的测量精度。本发明通过改变压力膜片4的厚度、等强度悬臂梁14的厚度和长度可以方便的调节沉降测量范围和测量精度，便于在不同场合进行应用。

实施例2

在本实施例中，压力膜片为厚度50微米的波纹膜片，等强度悬臂梁14厚度为0.3mm，长度为20mm。其他零部件及其连接方式与实施例1相同。图4为本发明实施例2的沉降传感灵敏度试验结果。灵敏度为0.94pm/mmH₂O，mmH₂O表示毫米水柱产生的压力，线性度为0.9997。图3为本发明实施例2的沉降传感器消除温度影响后的稳定性试验结果。可以看出，该传感器稳定性良好。

实施例3

在本实施例中，压力膜片为厚度50微米的波纹膜片，等强度悬臂梁14厚度为0.3mm，长度为15mm。其他零部件及其连接方式与实施例1相同。图5为本发明实施例3的沉降传感灵敏度试验结果。灵敏度为1.48pm/mmH₂O，线性度为0.9996。

实施例4

在本实施例中，压力膜片为厚度50微米的波纹膜片，等强度悬臂梁厚度为0.15mm，长度为20mm。其他零部件及其连接方式与实施例1相同。图6为本发明实施例4的沉降传感灵敏度试验结果。灵敏度为1.1pm/mmH₂O，线性度为0.9993。

实施例5

在本实施例中，压力膜片为厚度50微米的波纹膜片，等强度悬臂梁厚度为0.15mm，长度为15mm。其他零部件及其连接方式与实施例1相同。图7为本发明实施例5的沉降传感灵敏度试验结果。灵敏度为2.11pm/mmH₂O，线性度为0.9993。

Claims

1.一种光纤光栅沉降传感器，包括传感器底座（1）、传感段（2）和传感器上盖（3），传感器底座（1）与传感段（2）通过螺丝紧固，其特征在于：传感段（2）的下部安装有压力膜片（4），压力膜片（4）和传感器底座（1）之间形成压力室（7），所述压力室（7）的下部设有进液孔（8），所述进液孔（8）与外部连通管道连接；所述压力膜片（4）的硬心（11）与连杆（12）固定连接，所述连杆（12）的尖部通过小孔（13）与第一等强度悬臂梁（14）活动连接，第一等强度悬臂梁（14）被第一压块（15）固定在传感段（2）内部开有方孔（20）的基底上，第一等强度悬臂梁（14）上设置有压力传感光栅（16）；在方孔（20）的另一边通过第二压块（19）固定设置有第二等强度悬臂梁（17），所述第二等强度悬臂梁（17）上设置有温度传感光栅（18），并与第一等强度悬臂梁（14）和第一压块（15）有一平移量，使第一等强度悬臂梁（14）和第二等强度悬臂梁（17）的尖端错开；所述压力传感光栅（16）和温度传感光栅（18）串联，与压力传感光栅（16）和温度传感光栅（18）相连的光纤（21）通过器壁上的小孔（22）穿出。

2.根据权利要求1所述的光线光栅沉降传感器，其特征在于，所述压力室（7）的下端还设置有排气孔（9），在传感器初次安装时，应通过排气孔（9）将压力室（7）内的残余空气排除，然后采用排气孔盖（10）将压力室（7）密封。

3.根据权利要求1所述的光线光栅沉降传感器，其特征在于，第一等强度悬臂梁（14）采用弹性合金材料制作，圆弧边与器壁内切，小孔（13）位于内切圆的中心，第一等强度悬臂梁（14）的厚度在0.1mm到1mm之间，顶角在10°到45°之间。

4.根据权利要求1所述的光线光栅沉降传感器，其特征在于，第二等强度悬臂梁（17）为等腰三角形，厚度与第一等强度悬臂梁（14）相同，其底边不与器壁接触，有效长度与第一等强度悬臂梁（14）一致。

5.根据权利要求1所述的光线光栅沉降传感器，其特征在于，所述压力膜片（4）为平膜片或者波纹膜片，厚度在0.04mm到0.5mm之间。