CN103017950B - 一种高灵敏度光纤光栅土压力计 - Google Patents
一种高灵敏度光纤光栅土压力计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度光纤光栅土压力计，它包括壳体，壳体一端与圆盘端盖通过螺纹连接，另一端使用环形紧固圈与波纹膜片刚性连接；波纹膜片中心插入传力杆，传力杆一端连接边缘有开槽的固定盘，另一端与圆形承压盘中心螺纹连接；壳体壁有两组过孔，一组用于插入连接微型轴承的钢杆，另一组为光纤引出孔；测量光栅与钢丝通过胶体连接，钢丝绕过微型轴承与固定盘连接，温补光栅两端连接到固定于壳体侧壁的温补光栅固定座上，温补光栅与测量光栅串联，通过光纤引出孔双端出纤。它灵敏度高，稳定性好，抗干扰能力强，防水性能好，可实现多点实时准分布式监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温度自补偿功能的高灵敏度光纤光栅土压力计，特别是一种可用于地质力学模型试验与土木工程中，对岩体和土体等固体介质中的土压力的变化规律进行实时、准分布式监测的土压力计。
背景技术
在填土、路基、堤坝、灰坝、软基等土木工程以及地质力学模型试验中，岩体或土体等固体介质压力是重要工程参数。目前土压力参数的测量多采用膜片结构，且大多使用电阻应变式、振弦式等电类土压力传感器，该类基于电信号的传感器精度低，易受电磁干扰，防水性能差，长期使用稳定性差，且不易组网进行以分布式场参数的监测。
光纤光栅是一种对温度和应变敏感的光学无源器件，它灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构灵活、抗腐蚀、耐高温、抗电磁干扰、防水性能好、且无电火花隐患可在易燃易爆等恶劣环境中工作，同时，光纤光栅传感器采用波长编码，不受传输过程中强度信号影响，稳定性好，抗干扰能力强；并且便于构成光纤传感网络实现准分布式测量。基于光纤光栅的土压力传感器，其关键在于通过某种结构将沿光纤光栅径向的土压力转化为光纤光栅轴向的应变，现有的光纤光栅土压力传感器在解决该问题时多采用膜片与悬臂梁或简支梁相结合的方式，或者采用与这类结构原理相同的构造，将膜片中心的位移转换为梁的表面应变，这种方式会导致光纤在应力下产生弯曲或受力不均，产生光强损耗甚至啁啾现象，并且灵敏度低，无法满足工程及试验中高灵敏度测量的需求。
发明内容
基于上述分析，本发明提供一种测量灵敏度高，稳定性好，抗干扰能力强，防水性能好，可实现多点实时准分布式监测，且不会造成光栅受力不均而对测量结果产生影响的高灵敏度光纤光栅土压力计。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高灵敏度光纤光栅土压力计，包括外壳、压力敏感部件、压力测量部件和固定盘,所述的压力敏感部件、压力测量部件、固定盘设于保护壳体内，所述的壳体的上端设有承压盘，壳体壁上有两组过孔；所述的压力敏感部件包括波纹膜片、传力杆，所述的波纹膜片横向穿过传力杆,且波纹膜片的两端与壳体刚性连接，传力杆一端与固定盘连接，另一端与承压盘中心连接；所述的压力测量部件包括轴承、钢丝、测量光栅和光纤，所述的轴承的中心轴穿过壳体壁的一组过孔，所述的光纤的两端穿过壳体壁上的另一组过孔，测量光栅刻制于光纤上，测量光栅一端与钢丝连接，另一端固定于光纤引出孔上，所述的钢丝绕过轴承与固定盘连接。
所述壳体为圆柱腔体,壳体的下端设有圆盘端盖，所述的波纹膜片的两端通过环形紧固圈与壳体刚性连接，所述的测量光栅一端与钢丝通过胶体连接。
所述承压盘中心部分向内侧突出，承压盘的突出部分设有与传力杆配合的盲孔螺纹.
所述轴承设有用于放置钢丝的凹槽，轴承的中心轴固定于壳体上，所述的固定盘中心也有与传力杆配合的盲孔螺纹，固定盘边缘开有用于固定钢丝的凹槽；所述的钢丝绕过微型轴承粘接在固定盘的凹槽内。
所述传力杆两端直径小于中部直径，且两端均带有螺纹。
所述的波纹膜片圆心设有过孔，过孔内径与传力杆螺纹端外径匹配，且小于传力杆中部直径。
所述的承压盘、波纹膜片、固定盘三者同心。
所述的两组过孔的中心线相互垂直，且两组过孔的中心线相对于壳体中心线偏心设置，所述的轴承是微型轴承。
装置还包括环形紧固圈，所述的环形紧固圈与外壳螺纹连接，所述的环形紧固圈与承压盘之间设有橡胶密封圈。
装置还包括温补光栅，温补光栅与侧量光栅为同一条光纤上刻制的两个光栅，两光栅相串联，所述的温补光栅两端连接到固定于壳体侧壁上，温补光栅呈弯曲状，且与测量光栅分布在中心轴的两侧。
本发明的高灵敏度光纤光栅土压力计，包括壳体，壳体侧壁开有两组过孔，一组用于安装带有微型轴承的钢杆，另一组用于引出光纤。壳体一端连接圆盘端盖，另一端通过环形紧固圈与波纹膜片刚性连接。带有螺纹的传力杆穿过波纹膜片中心的过孔与承压圆盘中心固定，传力杆的另一端连接边缘开有凹槽的固定盘。测量光栅与温补光栅串联，钢丝一端与两光栅之间的光纤胶接，另一端绕过带有凹槽的微型轴承胶接在固定盘的凹槽内。温补光栅两端固定在置于壳体侧壁的温补光栅固定座上，两座之间光纤微弯。环形紧固圈与承压盘之间设有橡胶密封圈，光纤从壳体壁两侧的光纤引出孔中引出。
在使用时将土压力计埋设于结构物表面或岩体土体等固体介质中直接量测固体介质的自由场应力或表面压力。刚性的承压圆盘与介质接触感受外界压力并避免承压盘上表面的应力分布不均，不考虑橡胶密封圈所受压力，外界压力通过传力杆转化为集中力全部作用于波纹膜片中心使波纹膜片中心产生位移，从而在胶接于固定盘钢丝的一端产生拉力，该拉力通过的微型轴承转化为测量光栅的轴向应力，从而引起测量光栅中心波长的漂移。温补光栅用于补偿环境温度，在测量过程中不受拉力影响。橡胶密封圈与承压盘接触，防止测量过程中固体介质进入土压力计内部影响测量结果。使用光纤光栅波长解调仪检测测量光栅与温补光栅的中心波长，由软件采集分析数据，得到被测土压力与中心波长的对应关系。
本发明的有益效果是：它采用刚性承压盘作为一次受力部件，避免了膜片形变导致的应力分布不均，采用波纹膜片作为二次受力部件，且将膜片中心位移直接转化为测量光栅的轴向应变，灵敏度高，内置的温补光栅可用于补偿温度影响。本发明基于全光信号设计，稳定性好，抗电磁干扰，防水性能好且无电火花隐患，便于实现准分布式多点实时监测。
附图说明
图 1 为本发明高灵敏度光纤光栅土压力计的正视剖面图；
图 2 为本发明高灵敏度光纤光栅土压力计的俯视剖面结构简图；
图 中1.承压盘，2.环形紧固圈，3.密封圈，4.壳体，5.圆盘端盖，6.波纹膜片，7.测量光栅，8.温补光栅，9.钢杆，10.钢丝，11.微型轴承，12.固定盘，13.传力杆，14.温补光栅固定座，15.光纤，16.光纤引出孔。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1、图2中，壳体4侧壁开有两组过孔，一组用于安装带有微型轴承11的钢杆9，另一组用于引出光纤15。壳体4一端连接圆盘端盖5，另一端通过环形紧固圈2与波纹膜片6刚性连接。带有螺纹的传力杆13穿过波纹膜片6中心的过孔与承压圆盘1中心固定，传力杆13的另一端连接边缘开有凹槽的固定盘12。测量光栅7与温补光栅8串联，钢丝10一端与两光栅之间的光纤15胶接，另一端绕过带有凹槽的微型轴承11胶接在固定盘12的凹槽内。温补光栅8两端固定在置于壳体4侧壁的温补光栅固定座14上，两座之间光纤微弯。环形紧固圈2与承压盘1之间设有橡胶密封圈3，光纤15从壳体4壁两侧的光纤引出孔16中引出。
钢丝10与固定盘12粘接之前必须预拉伸钢丝10，确保钢丝10拉直，避免出现测量过程中钢丝10弯曲导致分辨率低，影响测量结果。
环形紧固圈2与承压盘1之间设有密封圈3，用于防止固体介质进入波纹膜片6与承压盘1之间，影响传感器性能。密封圈3选用软橡胶材料，以保证密封圈3对承压盘1的反弹力最小。
环形紧固圈2和圆盘端盖5与壳体4之间均为螺纹连接。承压盘1、波纹膜片6、固定盘12是同心的。
壳体4为圆柱腔体，钢杆9与光纤引出孔16均不经过圆柱的轴心。
当受到固体介质压力，承压盘1感受并集中该压力，并经过传力杆13作用于波纹膜片6的中心，使其产生形变，该形变通过传力杆13拉动钢丝10，钢丝10所受拉力经微型轴承11转向对测量光栅7产生拉压作用，从而引起测量光栅7中心波长产生漂移。温补光栅8不受拉力影响，用于补偿环境温度变化。
本发明的具体制作过程为：首先，将钢丝10粘贴在测量光栅7与温补光栅8之间的光纤15上，将光纤15穿过光纤引出孔16。固定温补光栅8座于壳体4内壁的合适位置，并将钢杆9一端插入壳体4的过孔，微型轴承11穿过钢杆9，在其凹槽与钢丝10重合位置与钢杆9固定，钢杆9两端的过孔使用胶黏剂封死。然后，将温补光栅8微弯，粘贴在温补光栅固定座14上。使用环形紧固圈2固定波纹膜片6与壳体4，并放置密封圈3，把传力杆13穿过波纹膜片6中间的过孔，通过螺纹与承压盘1连接，传力杆13另一端与钢丝12固定盘固定。最后，使用胶黏剂将测量光栅7的一端固定在光纤引出孔16，保持钢丝10为拉紧状态其另一端绕过微型轴承11穿过固定盘12边缘的凹槽，使用快固型胶黏剂填充钢丝10与凹槽，待胶完全凝固后盖好圆盘端盖5。
在现场检测时，首先将土压力计埋设于被测介质内，承压盘1感受被测压力，使用光纤光栅波长解调仪对测量光栅7与温补光栅8的波长漂移同时进行监测，经过软件处理数据，消除温度影响，并将测得的波长变化转化为相应的土压力值。
Claims (10)
1. 一种高灵敏度光纤光栅土压力计，包括外壳、压力敏感部件、压力测量部件和固定盘,所述的压力敏感部件、压力测量部件、固定盘设于保护壳体内，其特征在于：所述的壳体的上端设有承压盘，壳体壁上有两组过孔；所述的压力敏感部件包括波纹膜片、传力杆，所述的波纹膜片横向穿过传力杆,且波纹膜片的两端与壳体刚性连接，传力杆一端与固定盘连接，另一端与承压盘中心连接；所述的压力测量部件包括轴承、钢丝、测量光栅和光纤，所述的轴承的中心轴穿过壳体壁的一组过孔，所述的光纤的两端穿过壳体壁上的另一组过孔，测量光栅刻制于光纤上，测量光栅一端与钢丝连接，另一端固定于光纤引出孔上，所述的钢丝绕过轴承与固定盘连接。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述壳体为圆柱腔体,壳体的下端设有圆盘端盖，所述的波纹膜片的两端通过环形紧固圈与壳体刚性连接，所述的测量光栅一端与钢丝通过胶体连接。
3. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述承压盘中心部分向内侧突出，承压盘的突出部分设有与传力杆配合的盲孔螺纹。
4. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述轴承设有用于放置钢丝的凹槽，轴承的中心轴固定于壳体上，所述的固定盘中心也有与传力杆配合的盲孔螺纹，固定盘边缘开有用于固定钢丝的凹槽；所述的钢丝绕过微型轴承粘接在固定盘的凹槽内。
5. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述传力杆两端直径小于中部直径，且两端均带有螺纹。
6. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述的波纹膜片圆心设有过孔，过孔内径与传力杆螺纹端外径匹配，且小于传力杆中部直径。
7. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述的承压盘、波纹膜片、固定盘三者同心。
8. 如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：所述的两组过孔的中心线相互垂直，且两组过孔的中心线相对于壳体中心线偏心设置，所述的轴承是微型轴承。
9.如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：还包括环形紧固圈，所述的环形紧固圈与外壳螺纹连接，所述的环形紧固圈与承压盘之间设有橡胶密封圈。
10.如权利要求1所述的一种高灵敏度光纤光栅土压力计，其特征在于：还包括温补光栅，温补光栅与测量光栅为同一条光纤上刻制的两个光栅，两光栅相串联，所述的温补光栅两端固定于壳体侧壁上，温补光栅呈弯曲状，且与测量光栅分布在中心轴的两侧。
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