CN102944342A

CN102944342A - 一种差动式光纤土压计

Info

Publication number: CN102944342A
Application number: CN2012104616704A
Authority: CN
Inventors: 张文涛; 李芳�
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: CN102944342B

Abstract

本发明公开了一种差动式光纤土压计，该差动式光纤土压计包括：压力盒(10)，为中空的圆饼形结构；圆形的盒盖(20)，设置于压力盒(10)的上端，密封压力盒(10)；设置于压力盒(10)内部第一支撑柱(30)和第二支撑柱(31)，二者与该差动式光纤土压计对称中心的距离相等；测量土压力的光纤光栅(40)，安装于第一支撑柱(30)及第二支撑柱(31)上；以及压力盒(10)侧壁上的光纤孔(11)，光纤光栅(40)的尾纤从该光纤孔(11)引出。利用本发明，解决了土压计体积、灵敏度、结构简化以及封装工艺等问题。

Description

一种差动式光纤土压计

技术领域

本发明涉及土木工程监测技术领域，尤其涉及一种光纤土压计，适用于埋入式的土压力测量，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。

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。振弦式土压计、电阻应变式土压计、差动电阻式土压计以及电感式土压计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。

光纤土压计与传统的电学类土压计相比，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。

土压计特殊的应用环境，通常需要将其埋入到岩土介质中进行监测。这对于土压计的设计提出了严格要求。主要有：1)土压计一般应为圆饼形；2)为了与土更好地接触和传递土压力，土压计的径厚比(直径与厚度之比)一般应大于5～10。

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计。但是，这些光纤光栅土压计都是将光纤光栅粘结在弹性敏感材料表面，当外界土压力作用到介质材料上时，弹性敏感材料发生弯曲变形，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。这些技术方案的不足之处有：1)由于光纤光栅的栅区被直接粘结封装，容易使光纤光栅产生啁啾；2)利用弯曲材料表面的变形产生应变，灵敏度低；3)光纤光栅的栅区被直接粘结封装，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，但其不足之处有：1)增加了传感器的厚度，为了满足径厚比的要求，土压力传感器尺寸较大；2)该传感器结构复杂，工艺难度大；3)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；但不足之处有：1)该方案仅仅利用膜片变形产生的转角来进行增敏，没有考虑膜片变形挠度的影响，灵敏低；2)硬心膜片的加工工艺复杂；3)仅仅利用了土压计一侧膜片的变形，没有充分提高传感器的灵敏度。

因此，如何在保证径厚比的条件下减小土压计的体积，增大土压计的灵敏度，简化传感器的结构和工艺，使光纤光栅土压计更好的满足岩土介质监测要求成为目前亟需解决的问题。

本发明提出一种差动式光纤土压计，用于土木工程领域边坡、大坝等的土压力监测，重点解决土压计体积、灵敏度、结构简化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差动式光纤土压计，以解决土压计体积、灵敏度、结构简化以及封装工艺等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种差动式光纤土压计，该差动式光纤土压计包括：压力盒10，为中空的圆饼形结构；圆形的盒盖20，设置于压力盒10的上端，密封压力盒10；设置于压力盒10内部第一支撑柱30和第二支撑柱31，二者与该差动式光纤土压计对称中心的距离相等；测量土压力的光纤光栅40，安装于第一支撑柱30及第二支撑柱31上；以及压力盒10侧壁上的光纤孔11，光纤光栅40的尾纤从该光纤孔11引出。

上述方案中，所述第一支撑柱30的一端安装于压力盒10的底部，另一端固定有光纤光栅40，所述第二支撑柱31的一端安装于压力盒10的盒盖20，另一端固定有光纤光栅40，所述光纤光栅40固定于第一支撑柱30的端部与第二支撑柱31的端部之间。

上述方案中，所述第一支撑柱30固定光纤光栅40的端部、所述第二支撑柱31固定光纤光栅40的端部和该差动式光纤土压计的对称中心三者处于同一直线。

上述方案中，假设第一支撑柱30与第二支撑柱31到该差动式光纤土压计的对称中心的距离为r，该差动式光纤土压计的直径与厚度之比为k，第一支撑柱30与第二支撑柱31的高度为m，三者的关系应满足或近似满足r²＝((k²/4)-2))×m²。

上述方案中，所述压力盒10的底部为圆形，且该圆形底部的厚度与盒盖20的厚度相同。

上述方案中，该差动式光纤土压计在压力盒10内还安装一温度补偿光栅41，该温度补偿光栅41安装于第一支撑柱30与第二支撑柱31外部光纤光栅40的尾纤上，处于松弛状态，从而进行温度补偿。

上述方案中，该差动式光纤土压计通过压力盒10和盒盖20同时感受土压力，并产生变形，从而形成差动式结构，提高了传感器的灵敏度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种差动式光纤土压计，采用在两个对称安装的支撑住端部安装光纤光栅的方式，最大限度地利用了传感器内部空间，减小了土压计的体积。

2、本发明提供的这种差动式光纤土压计，通过压力盒和盒盖同时感受土压力，并产生变形，从而形成差动式结构，提高了传感器的灵敏度；进一步地，通过优化支撑住的高度和到土压计中心的距离，最大限度地满足了差动式增敏的条件，在土压计体积、保证径厚比一定的条件下达到了最好的增敏效果。

3、本发明提供的这种差动式光纤土压计，避免了硬心膜片、菱形增敏等等复杂的结构，仅仅采用平膜片和支撑柱进行增敏，简化了传感器结构和工艺。

附图说明

图1为本发明提供的差动式光纤土压计的示意图；

图2为本发明提供的差动式光纤土压计的俯视图；

图3为本发明提供的差动式光纤土压计的尺寸示意图。

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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参照图1至图3，图1为本发明提供的差动式光纤土压计的示意图，图2为本发明提供的差动式光纤土压计的俯视图，图3为本发明提供的差动式光纤土压计的尺寸示意图。

本发明提供的这种差动式光纤土压计，包括：压力盒10，为中空的圆饼形结构，用于感受土压力；圆形的盒盖20，设置于压力盒10的上端，密封压力盒10，用于感受土压力；设置于压力盒10内部第一支撑柱30和第二支撑柱31，二者与该差动式光纤土压计对称中心的距离相等，用于安装光纤光栅40；用于测量土压力的光纤光栅40，安装于第一支撑柱30及第二支撑柱31上；以及压力盒10侧壁上的光纤孔11，光纤光栅40的尾纤从该光纤孔11引出。该差动式光纤土压计通过压力盒10和盒盖20同时感受土压力，并产生变形，从而形成差动式结构，提高了传感器的灵敏度。

其中，压力盒10为一圆饼形结构，其圆形底部的厚度与盒盖20的厚度相同。第一支撑柱30与第二支撑柱31分别安装在压力盒10与盒盖20上，并且与差动式光纤土压计的对称中心处于同一直线，并且到差动式光纤土压计对称中心的距离相同。

第一支撑柱30的一端安装于压力盒10的底部，另一端固定有光纤光栅40，第二支撑柱31的一端安装于压力盒10的盒盖20，另一端固定有光纤光栅40，光纤光栅40固定于第一支撑柱30的端部与第二支撑柱31的端部之间。

第一支撑柱30固定光纤光栅40的端部、所述第二支撑柱31固定光纤光栅40的端部和该差动式光纤土压计的对称中心三者处于同一直线。

为了实现差动式增敏结构并且获得最高灵敏度，假设第一支撑柱30与第二支撑柱31到该差动式光纤土压计的对称中心的距离为r，该差动式光纤土压计的直径与厚度之比为k，第一支撑柱30与第二支撑柱31的高度为m，三者的关系应满足或近似满足r²＝((k²/4)-2))×m²。

该差动式光纤土压计在压力盒10内还安装一温度补偿光栅41，该温度补偿光栅41安装于第一支撑柱30与第二支撑柱31外部光纤光栅40的尾纤上，处于松弛状态，从而进行温度补偿。

本发明提供的差动式光纤土压计的工作原理为，参考图1、图2、图3，当差动式光纤土压计埋入土中时，压力盒10与盒盖20与土层紧密结合，当土层压力发生变化使压力盒10与盒盖20发生形变，并引起第一支撑柱30与第二支撑柱31的两种位移，第一是由于压力盒10与盒盖20的变形挠度所引起的纵向位移，沿着盒盖20的法线方向；第二是由于压力盒10与盒盖20的变形转角所引起的第一支撑柱30与第二支撑柱31端部的位移，垂直于盒盖20的法线方向。这两种位移综合作用的结果是光纤光栅40产生应变，通过测量光栅40的输出波长发生变化即可得到土压力大小。

需要特别说明的是，土压计的径厚比(即直径与厚度比)、第一支撑柱30与第二支撑柱31的长度、第一支撑柱30与第二支撑柱31到土压计中心的距离当且仅当满足一定关系时，才能使上述两种位移产生最佳的作用效果从而在不改变土压计体积的情况下提高土压计的灵敏度，当压力盒10的受压膜片部分与盒盖20的厚度相比于直径可忽略(厚度与直径之比小于0.05)并且第一支撑柱30与第二支撑柱31到压力盒10与盒盖20之间的间隙较小也可忽略时，这一关系为r²＝((k²/4)-2))×m²，其中r为第一支撑柱30与第二支撑柱31到土压计中心的距离，k为径厚比，m为第一支撑柱30与第二支撑柱31的高度。因此本发明提出的这种差动式光纤土压计需满足或近似满足这一关系。

例如，当k＝8，m＝1cm，r＝3.74cm，R＝4cm时，采用本发明提供的差动式光纤土压计其灵敏度是不采用差动结构(如，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)的2.5倍左右。

此外，可以进一步在压力盒10内安装一温度补偿光栅41，温度补偿光栅41位于第一支撑柱30与第二支撑柱31的外部，处于松弛状态，从而进行温度补偿。

需要说明的是，对于波长调制型光纤传感器，敏感元件不限于光纤光栅，即光纤光栅40可被其它器件替换而取得相同效果，其它器件如光纤激光器、长周期光栅、啁啾光栅等。

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

1.一种差动式光纤土压计，其特征在于，该差动式光纤土压计包括：

压力盒(10)，为中空的圆饼形结构；

圆形的盒盖(20)，设置于压力盒(10)的上端，密封压力盒(10)；

设置于压力盒(10)内部第一支撑柱(30)和第二支撑柱(31)，二者与该差动式光纤土压计对称中心的距离相等；

测量土压力的光纤光栅(40)，安装于第一支撑柱(30)及第二支撑柱(31)上；以及

压力盒(10)侧壁上的光纤孔(11)，光纤光栅(40)的尾纤从该光纤孔(11)引出。

2.根据权利要求1所述的差动式光纤土压计，其特征在于，所述第一支撑柱(30)的一端安装于压力盒(10)的底部，另一端固定有光纤光栅(40)，所述第二支撑柱(31)的一端安装于压力盒(10)的盒盖(20)，另一端固定有光纤光栅(40)，所述光纤光栅(40)固定于第一支撑柱(30)的端部与第二支撑柱(31)的端部之间。

3.根据权利要求2所述的差动式光纤土压计，其特征在于，所述第一支撑柱(30)固定光纤光栅(40)的端部、所述第二支撑柱(31)固定光纤光栅(40)的端部和该差动式光纤土压计的对称中心三者处于同一直线。

4.根据权利要求1所述的差动式光纤土压计，其特征在于，假设第一支撑柱(30)与第二支撑柱(31)到该差动式光纤土压计的对称中心的距离为r，该差动式光纤土压计的直径与厚度之比为k，第一支撑柱(30)与第二支撑柱(31)的高度为m，三者的关系应满足或近似满足r²＝((k²/4)-2))×m²。

5.根据权利要求1所述的差动式光纤土压计，其特征在于，所述压力盒(10)的底部为圆形，且该圆形底部的厚度与盒盖(20)的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的差动式光纤土压计，其特征在于，该差动式光纤土压计在压力盒(10)内还安装一温度补偿光栅(41)，该温度补偿光栅(41)安装于第一支撑柱(30)与第二支撑柱(31)外部光纤光栅(40)的尾纤上，处于松弛状态，从而进行温度补偿。

7.根据权利要求1所述的差动式光纤土压计，其特征在于，该差动式光纤土压计通过压力盒(10)和盒盖(20)同时感受土压力，并产生变形，从而形成差动式结构，提高了传感器的灵敏度。