CN102901593B - 一种基于双l型梁的光纤光栅土压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，包括：盒体，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片；安装于盒体内部的两个支撑轴；安装于两个支撑轴上的两个L型梁，每个L型梁均具有竖直方向部分和水平方向部分；安装于承压膜片与两个水平方向部分的端部之间的中心传力杆；安装于双L型梁的竖直方向部分的端部检测土压力信号的光纤光栅，承压膜片的纵向位移通过中心传力杆和两个L型梁被传递给光纤光栅，使光纤光栅产生轴向应变；设置于盒体两端部侧壁的两个引出小孔；安装于盒体底部密封和保护盒体内部结构的底板。本发明解决了土压力传感器的体积、灵敏度、封装工艺等问题。

Description

一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器

技术领域

本发明涉及土木工程监测技术领域，尤其涉及一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，适用于埋入式或结构表面土压力测量，如岩土工程、边坡、大坝、路基等工程结构土压力监测。

背景技术

土压力作为反映土木工程结构稳定性状态的主要参数，对其进行实时监测，不仅可以避免重大工程事故发生，而且可以为岩土工程结构的设计、防护以及理论研究提供可靠数据。因此，研制适合于岩土介质环境的压力传感器具有重要意义。

土压力传感器特殊的应用环境，通常需要将其埋入到岩土介质中进行监测。这对于土压力传感器的设计提出了严格要求。目前，应用于土压力观测的传感器主要有振弦式、电阻应变式、差动电阻式、电感式和光纤式等。振弦式土压力传感器、电阻应变式土压力传感器、差动电阻式土压力传感器以及电感式土压力传感器等电学类传感器在实际检测过程存在长期稳定性差、精度低、易受电磁侵扰、实时性以及组网能力差等弊端。

光纤土压力传感器与传统的电学类土压力传感器相比，优势明显：灵敏度高、不受电磁干扰、复用简单、可构成监测网络、实现多点同步监测，更适合长期实时监测。

鉴于光纤土压力传感器的如上技术优势，可满足土木工程领域对岩土压力的监测要求。目前已经在此方面积极展开研究。

Chiachen Changa，王俊杰，Zhi Zhou等人分别报道了不同结构的光纤光栅土压力传感器。但是，这些光纤光栅土压力传感器都是将光纤光栅粘结在介质材料表面，当外界土压力作用到介质材料上时，介质材料发生弯曲变形，从而在其表面产生应变，带动粘结在其上的光纤光栅的输出波长发生变化，从而解调出土压力信号。这些技术方案由于光纤光栅的栅区被直接粘结封装，一方面容易使光纤光栅产生啁啾，另一方面由此带来的传感器的热稳定性较差，不适合在宽温度变化范围内工作。

李丽君等人报道了一种光纤光栅土压力传感器(ZL201010570760.8)，采用菱形传力结构技术方案，该方案在一定程度上提高了土压力传感器的灵敏度，但同时增加了传感器的厚度，造成土压力传感器尺寸较大；另外，该方案将光栅直接粘结在固定于菱形结构左、右角之间对角线的金属弹性膜片上，因此没有避免栅区与介质材料直接接触。

胡志新等人(胡志新等，温度补偿式光纤光栅土压力传感器，应用光学，2010，31，(1)：110-113)提出了一种温度补偿式光纤光栅土压力传感器，选用有硬中心的平膜片作为弹性元件，通过平膜片上的两个固定柱将土压力转化为光纤光栅的波长飘移，该方案解决了栅区直接封装带来的弊端；但是由于承压圆盘与圆腔壳体采取螺纹连接的方式，并非刚性连接，长期处于高土压力状态下，会造成连接松动，影响传感器精度。

因此，如何减小土压力传感器的体积及厚径比，增大土压力传感器的灵敏度，改进封装工艺，使光纤光栅土压力传感器更好的满足岩土介质监测要求成为目前亟需解决的问题。例如，土压力传感器埋入容易引起应力集中，从而改变土压力传感器周围岩土应力场分布；因此，一般要求土压力传感器的厚径比小于0.2，从而降低埋入效应引起的周围应力场变化，使检测值更精确地反映岩土压力。

因此，本发明提出一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，用于土木工程领域边坡、大坝等的土压力监测，重点解决土压力传感器体积、灵敏度以及封装工艺等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，以解决土压力传感器的体积、灵敏度、封装工艺等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，包括：

盒体1，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片2；

安装于盒体1内部的两个支撑轴4；

安装于两个支撑轴4上的两个L型梁5，每个L型梁均具有竖直方向部分6和水平方向部分7，两个L型梁5的水平方向部分7相对且不接触，使L型梁5能够绕支撑轴4转动一定角度；

安装于承压膜片2与两个水平方向部分7的端部之间的中心传力杆3，中心传力杆3将承压膜片2的纵向位移传递给两个L型梁5的水平方向部分7的端部；

安装于双L型梁5的竖直方向部分6的端部检测土压力信号的光纤光栅8，承压膜片2的纵向位移通过中心传力杆3和两个L型梁5被传递给光纤光栅8，使光纤光栅8产生轴向应变；

设置于盒体1两端部侧壁的两个引出小孔9，光纤光栅8的尾纤通过该两个引出小孔9被引出；

安装于盒体1底部密封和保护盒体1内部结构的底板10。

上述方案中，所述承压膜片2、中心传力杆3和两个L型梁5构成一个纵向-横向位移转化结构，当受到外界土压力时，该两个L型梁5通过旋转将承压膜片2挠度传递给光纤光栅8，引起该光纤光栅8发生轴向应变。

上述方案中，所述支撑轴4为阶梯状，以限制L型梁5沿支撑轴4的平动，使L型梁5只有一个绕支撑轴4的旋转自由度，进而提高该光纤光栅土压力传感器的稳定性能。

上述方案中，所述光纤光栅土压力传感器是通过改变承压膜片2的半径或厚度，或者是通过改变L型梁5竖直方向部分6与水平方向部分7长度的比例关系，来调整光纤光栅土压力传感器的灵敏度和量程。

上述方案中，所述光纤光栅土压力传感器的盒体1、承压膜片2以及中心传力杆3为一体化设计，以保证外界土压力所引起的承压膜片2挠度的刚性传递。

上述方案中，所述两个L型梁5的竖直方向部分6的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁5的初始位置，确保两个L型梁5的水平方向部分7与中心传力杆3在初始条件下紧密接触。

上述方案中，所述中心传力杆3与两个L型梁5的水平方向部分7的端部之间还包括一个分载梁20，且中心传力杆3作用于该分载梁20的中心。

上述方案中，所述分载梁20的中心接触于中心传力杆3，分载梁20的两端部分别接触于一个L型梁5的水平方向部分7的端部，承压膜片2的纵向位移依次通过中心传力杆3和分载梁20被传递至两个L型梁5的水平方向部分7的端部。

上述方案中，所述两个L型梁5的竖直方向部分6的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁5的初始位置，确保两个L型梁5的水平方向部分7与分载梁20的两端部在初始条件下紧密接触。

上述方案中，所述弹性材料是可拆卸的，其弹性模量小于光纤的弹性模量。

(三)有益效果

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，可以通过L型梁的设计将纵向位移转化为横向位移，减小了土压力传感器的厚径比和体积，以满足岩土介质压力监测要求。

2、本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，通过双L型梁的对称布设，增大了土压力传感器的灵敏度；并且可以通过调节承压膜片尺寸以及改变L型梁水平方向部分与竖直方向部分的比例关系来调整土压力传感器的量程和灵敏度，以适应不同场合的监测要求。

3、本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，通过双L型梁的端部固定光纤光栅，避免了栅区直接与介质材料接触所带来的啁啾、热稳定性差等现象，改进了封装工艺。

附图说明

图1是依据本发明实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与光纤平行方向的剖视图。

图2是依据本发明实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与支撑轴平行方向的剖视图，其中光纤所在方向与支撑轴所在方向垂直。

图3是图1或图2所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的俯视图。

图4是图1所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器中L型梁的结构示意图。

图5是在图1所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的基础上增加一个分载梁的结构图。

图6是在图1所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的基础上将两个L型梁倾斜固定的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合三个具体的实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

请参照图1和图2，图1是依据本发明实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与光纤平行方向的剖视图，图2是依据本发明实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与支撑轴平行方向的剖视图，其中光纤所在方向与支撑轴所在方向垂直。

本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，包括：盒体1，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片2；安装于盒体1内部的两个支撑轴4；安装于两个支撑轴4上的两个L型梁5，每个L型梁均具有竖直方向部分6和水平方向部分7，两个L型梁5的水平方向部分7相对且不接触，使L型梁5能够绕支撑轴4转动一定角度；安装于承压膜片2与两个水平方向部分7的端部之间的中心传力杆3，中心传力杆3将承压膜片2的纵向位移传递给两个L型梁5的水平方向部分7的端部；安装于双L型梁5的竖直方向部分6的端部检测土压力信号的光纤光栅8，承压膜片2的纵向位移通过中心传力杆3和两个L型梁5被传递给光纤光栅8，使光纤光栅8产生轴向应变；设置于盒体1两端部侧壁的两个引出小孔9，光纤光栅8的尾纤通过该两个引出小孔9被引出；安装于盒体1底部密封和保护盒体1内部结构的底板10。

本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的工作原理为，当有外界土压力作用于土压力传感器的承压膜片2时，中心传力杆3随承压膜片2的变形产生竖直方向的位移，并通过L型梁5将此竖直方向位移转化为水平方向位移，从而带动固定于双L型梁5的端部的光纤光栅8产生轴向应变，引起其输出波长发生变化，通过解调设备检测波长变化从而解调出土压力信号。

承压膜片2、中心传力杆3和两个L型梁5构成一个纵向-横向位移转化结构，当受到外界土压力时，该两个L型梁5通过旋转将承压膜片2挠度传递给光纤光栅8，引起该光纤光栅8发生轴向应变。

本发明提供的光纤光栅土压力传感器是通过改变承压膜片2的半径或厚度，或者是通过改变L型梁5竖直方向部分6与水平方向部分7长度的比例关系，来调整光纤光栅土压力传感器的灵敏度和量程。

参照图1、图2和图3，本发明提供的光纤光栅土压力传感器的盒体1、承压膜片2以及中心传力杆3为一体化设计，以保证外界土压力所引起的承压膜片2挠度的刚性传递。

支撑轴4为阶梯状，以限制L型梁5沿支撑轴4的平动，使L型梁5只有一个绕支撑轴4的旋转自由度，进而提高该光纤光栅土压力传感器的稳定性能。

双L型梁5水平方向部分7与竖直方向部分6的转折处存在一小孔11，用于穿过支撑轴4的第三台阶14部分，并绕支撑轴4的第三台阶14旋转，将纵向位移转化为横向位移。

请参照图2，支撑轴4为阶梯状，包含有第一台阶12，第二台阶13，第三台阶14；第一台阶12通过螺纹与盒体1侧壁连接；第二台阶13，用于限制双L型梁5在水平方向的移动；第三台阶14，用于穿过双L型梁5上的小孔11，起支撑作用；。

支撑轴4的第三台阶14的端部设有螺母15，与第二台阶13配合，以限制双L型梁5在水平方向的移动。

本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器可以通过改变承压膜片直径、厚度，或改变L型梁水平方向部分7和竖直方向部分6的比例关系，从而调整土压力传感器的量程和灵敏度。

请参照图4，双L型梁竖直方向部分6的端部开设有凹槽16，用于固定光纤光栅8。

盒体1侧壁的引出小孔9中进一步安装有酒杯环17，用于保护尾纤引出。

底板10通过螺纹与盒体1的端部连接，并涂密封胶辅助，以增强密封效果。

底板10包含两个小孔18，以便于顺利安装，将底板10与盒体1拧紧。

通过上面的描述可以看出，本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器通过饼状圆筒形盒体1内包含的双L型梁5等元件，有效降低了土压力传感器的厚径比，使其满足岩土介质监测要求。

双L型梁5的对称布设，使土压力传感器灵敏度有所增加，并避免了光纤光栅与介质材料直接接触，有效克服了栅区粘结带来的啁啾等问题，改进了封装工艺。

实施例二

基于图1至图4所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，图5示出了在图1所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的基础上增加一个分载梁的结构图。分载梁20布设于中心传力杆3与两个L型梁5的水平方向部分7的端部之间，且中心传力杆3作用于该分载梁20的中心。所述分载梁20的中心接触于中心传力杆3，分载梁20的两端部分别接触于一个L型梁5的水平方向部分7的端部，承压膜片2的纵向位移依次通过中心传力杆3和分载梁20被传递至两个L型梁5的水平方向部分7的端部。

请参照图5，该基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器包括：盒体1，其为饼状筒形结构，具有承压膜片2，用于直接感受外界土压力信号；中心传力杆3，用于传递承压膜片2的纵向位移，并作用于分载梁20的中心；

固定于中心传力杆3的分载梁20，用于将承压膜片2的纵向位移传递到L型梁5的水平方向部分7，并减小L型梁5水平方向部分7的有效旋转半径，以提高传感器的灵敏度；光纤光栅8，固定于双L型梁5竖直方向部分6的端部，用于检测土压力信号；引出小孔9，用于引出光纤光栅8尾纤至土压力传感器外部；安装于盒体1侧壁的支撑轴4，用于支撑L型梁5，并作为旋转轴；双L型梁5，用于将承压膜片2的纵向位移转化为横向位移，并传递给光纤光栅8，使光纤光栅8产生轴向应变；安装于盒体1端部的底板10，用于密封土压力传感器，保护土压力传感器内部结构。

分载梁20的中心与中心传力杆3固定，固定方式为焊接或胶粘；其两端分别与双L型梁5的水平方向部分7接触。

分载梁20为一刚性的结构，完全传递中心传力杆3的变形挠度。在本实施例中，分载梁20由金属材料加工而成。

本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的工作原理与实施例一基本相同，当有外界土压力作用于土压力传感器的承压膜片2时，中心传力杆3随承压膜片2的变形产生竖直方向的位移，并通过分载梁20将该竖直方向位移传递到L型梁5水平方向部分7，引起L型梁旋转，实现竖直方向位移向水平方向位移的转化，从而带动固定于双L型梁5的竖直方向部分6端部的光纤光栅8产生轴向应变，引起其输出波长发生变化，通过解调设备检测波长变化从而解调出土压力信号。

双L型梁5水平方向部分7与竖直方向部分6的转折处存在一小孔11，用于穿过支撑轴4的第三台阶14部分，并绕支撑轴4的第三台阶14旋转，将纵向位移转化为横向位移。

请参照图2、图3和图4，支撑轴4与实施例一相同，为阶梯状，包含有第一台阶12，第二台阶13，第三台阶14；通过第二台阶13与安装于支撑轴4的第三台阶14端部的螺母15协同作用，以限制双L型梁5在水平方向的移动。

本发明提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器提高灵敏度的方法为，通过分载梁20的安装，减小L型梁5水平方向部分7的有效旋转半径，进而减小L型梁5水平方向部分7有效旋转半径和竖直方向部分6有效旋转半径的比例关系，提高传感器灵敏度。

盒体1侧壁的引出小孔9中进一步安装有酒杯环17，用于保护尾纤引出。

底板10通过螺纹与盒体1的端部连接，并涂密封胶辅助，以增强密封效果。

底板10包含两个小孔18，以便于顺利安装，将底板10与盒体1拧紧。

本实施例减小土压力传感器厚径比、调整土压力传感器量程以及改善封装工艺的方法和思路同实施例一。

实施例三

请参照图6，图2～4，该基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器包括：盒体1，其为饼状筒形结构，具有承压膜片2，用于直接感受外界土压力信号；中心传力杆3，用于传递承压膜片2的纵向位移，并作用于L型梁5水平方向部分7的端部；光纤光栅8，固定于双L型梁5竖直方向部分6的端部，用于检测土压力信号；引出小孔9，用于引出光纤光栅8尾纤至土压力传感器外部；安装于盒体1侧壁的支撑轴4，用于支撑L型梁5，并作为旋转轴；双L型梁5，用于将承压膜片2的纵向位移转化为横向位移，并传递给光纤光栅8，使光纤光栅8产生轴向应变；安装于盒体1端部的底板10，用于密封土压力传感器，保护土压力传感器内部结构。

本实施例中，土压力传感器工作原理、减小土压力传感器厚径比、调整土压力传感器量程的方法与实施例一相同。所不同的是，为了使土压力传感器的测试稳定性和线性度得到提高，需要改进中心传力杆3与L型梁5水平方向部分7之间的接触关系。本发明中，L型梁5的尺寸很小，并且L型梁5水平方向部分7的有效旋转半径越小，传感器的灵敏度就越高。因此当L型梁5水平方向部分7与中心传力杆3之间为面接触时，随着土压力传感器的服役，土压力使L型梁5水平方向部分7的有效旋转半径不断发生微小改变，旋转半径的微小变化会降低土压力传感器的稳定性能和线性度。

鉴于此，封装过程中可以将实施例一中的L型梁5旋转一个小角度，使L型梁5水平方向部分7倾斜，确保L型梁5水平方向部分7的端部与中心传力杆3之间为点接触或线接触，并能保持一定行程。这样，L型梁5水平方向部分7的有效旋转半径在一定行程内不会发生改变，以提高土压力传感器的稳定性能和线性度。

此外，本发明所提供的技术方案并不受限于上述三个实施例。例如，双L型梁5竖直方向部分6的端部之间可以安装拆卸方便弹性材料，用于固定双L型梁5的初始位置，确保水平方向部分7与中心传力杆3在初始条件下紧密接触。弹性材料可以选择可拆卸的，其弹性模量小于光纤的弹性模量。该弹性材料也可以采用低弹性模量材料代替(远小于光纤弹性模量)，这样，土压力传感器封装完毕后，可不必拆卸此弹性材料，而由此引起的光纤光栅8的变形可忽略不计。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括：

盒体(1)，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片(2)；

安装于盒体(1)内部的两个支撑轴(4)；

安装于两个支撑轴(4)上的两个L型梁(5)，每个L型梁均具有竖直方向部分(6)和水平方向部分(7)，两个L型梁(5)的水平方向部分(7)相对且不接触，使L型梁(5)能够绕支撑轴(4)转动一定角度；

安装于承压膜片(2)与两个水平方向部分(7)的端部之间的中心传力杆(3)，中心传力杆(3)将承压膜片(2)的纵向位移传递给两个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部；

安装于双L型梁(5)的竖直方向部分(6)的端部检测土压力信号的光纤光栅(8)，承压膜片(2)的纵向位移通过中心传力杆(3)和两个L型梁(5)被传递给光纤光栅(8)，使光纤光栅(8)产生轴向应变；

设置于盒体(1)两端部侧壁的两个引出小孔(9)，光纤光栅(8)的尾纤通过该两个引出小孔(9)被引出；

安装于盒体(1)底部密封和保护盒体(1)内部结构的底板(10)。

2.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述承压膜片(2)、中心传力杆(3)和两个L型梁(5)构成一个纵向-横向位移转化结构，当受到外界土压力时，该两个L型梁(5)通过旋转将承压膜片(2)挠度传递给光纤光栅(8)，引起该光纤光栅(8)发生轴向应变。

3.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述支撑轴(4)为阶梯状，以限制L型梁(5)沿支撑轴(4)的平动，使L型梁(5)只有一个绕支撑轴(4)的旋转自由度，进而提高该光纤光栅土压力传感器的稳定性能。

4.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅土压力传感器是通过改变承压膜片(2)的半径或厚度，或者是通过改变L型梁(5)竖直方向部分(6)与水平方向部分(7)长度的比例关系，来调整光纤光栅土压力传感器的灵敏度和量程。

5.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅土压力传感器的盒体(1)、承压膜片(2)以及中心传力杆(3)为一体化设计，以保证外界土压力所引起的承压膜片(2)挠度的刚性传递。

6.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述两个L型梁(5)的竖直方向部分(6)的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁(5)的初始位置，确保两个L型梁(5)的水平方向部分(7)与中心传力杆(3)在初始条件下紧密接触。

7.根据权利要求1所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述中心传力杆(3)与两个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部之间还包括一个分载梁(20)，且中心传力杆(3)作用于该分载梁(20)的中心。

8.根据权利要求7所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述分载梁(20)的中心接触于中心传力杆(3)，分载梁(20)的两端部分别接触于一个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部，承压膜片(2)的纵向位移依次通过中心传力杆(3)和分载梁(20)被传递至两个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部。

9.根据权利要求8所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述两个L型梁(5)的竖直方向部分(6)的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁(5)的初始位置，确保两个L型梁(5)的水平方向部分(7)与分载梁(20)的两端部在初始条件下紧密接触。

10.根据权利要求6或9所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述弹性材料是可拆卸的，其弹性模量小于光纤的弹性模量。