CN103207036A - 一种光纤光栅测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅测力装置，其包括腔体、外壳和置于外壳内的弹簧管、应变梁和光纤；待测物与在待测物作用力下体积可变的腔体连接；所述腔体上设置有供腔体内液体进出的腔体开口；所述腔体开口与所述弹簧管的开口端相连；所述弹簧管的封闭端与所述应变梁的一端连接；所述应变梁的另一端固定于所述外壳；所述应变梁上设置有用于感应应变梁形变的应变光栅，所述应变光栅通过光纤与光纤光栅信号分析仪连接。本发明抗雷击性能好，抗电磁干扰强，测量得到的数据受电磁影响小，稳定可靠，可通过增加光纤的长度来满足远距离测量的需要。

Description

一种光纤光栅测力装置

【技术领域】

本发明涉及一种测力装置，特别涉及一种光纤光栅测力装置。

【背景技术】

在岩土工程边坡、地下洞室及其它土木建筑结构的安全监测中，常采用锚杆或锚索测力计对锚杆或锚索的加载及其在时间作用下的应力变化情况进行监测，由于测量环境情况复杂，因此锚杆或锚索测力计的测量稳定性一直是工程界较为关心的问题。

现有的锚杆或锚索压力测量仪器采用的电阻应变式传感器测量，由于电阻应变式传感器自身存在抗雷击性能差，抗电磁干扰性能低的缺点，导致现有的锚杆或锚索压力测量仪器的测量结果稳定性不高，可靠性差。

【发明内容】

本发明专利针对现有技术中锚杆或锚索测力装置测量结果稳定性不高，可靠性差的缺点，提出一种光纤光栅测力装置，该装置抗雷击性能好，抗电磁干扰性能强，测量结果稳定可靠，并可实现远距离测量。

为解决现有技术问题，本发明提供如下技术方案。

一种光纤光栅测力装置，其特征在于：其包括腔体、外壳和置于外壳内的弹簧管、应变梁和光纤；待测物与在待测物作用力下体积可变的腔体连接；所述腔体上设置有供腔体内液体进出的腔体开口；所述腔体开口与所述弹簧管的开口端相连；所述弹簧管的封闭端与所述应变梁的一端连接；所述应变梁的另一端固定于所述外壳；所述应变梁上设置有用于感应应变梁形变的应变光栅，所述应变光栅通过光纤与光纤光栅信号分析仪连接。

其中，所述外壳内设置有温补梁，所述温补梁上设置有与应变光栅串联的温补光栅。

其中，所述腔体由外套和置于外套中与所述外套活动连接的活塞相互配合形成；所述腔体开口设置于外套；所述待测物通过活塞上的待测物安装孔与活塞连接；

其中，所述外壳内还安装有用于固定弹簧管的弹簧管座；所述弹簧管座设置有弹簧管座通路，所述弹簧管座通路一端与所述腔体开口连接，另一端与所述弹簧管的开口端连接。

其中，所述腔体开口与所述弹簧管开口端通过管连接。

本发明提供的光纤光栅测力装置与现有技术相比的有益效果是：由于采用光栅光纤作为压力信号的传感器，一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响，因此，本发明抗雷击性能好，抗电磁干扰强，测量得到的数据受电磁影响小，稳定可靠；由于光纤传输本身信号损耗小，因此可通过增加光纤的长度来满足远距离测量的需要。

【附图说明】

图1为本发明具体实施方式的结构示意图。

图2为图1所示腔体的A-A剖面示意图。

图1至图2中，1锚杆，2腔体，21外套，22活塞，3外壳，42光纤，421应变光栅，422温补光栅，43弹簧管座，44应变梁，45弹簧管，46温补梁，47管。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的阐述。

如图1所示的光纤光栅测力装置，其包括腔体2、外壳3和置于外壳3内的弹簧管45、应变梁44和光纤42。

由图2可看出，腔体2由外套21围设在活塞22外部形成，通过螺母等固定于岩层上，腔体2内盛装有液体；待测物锚杆1穿过腔体2，一端插入岩层内部感受岩层内部变化，一端安装在活塞22上的锚杆安装孔上；外套21上设置有腔体开口，安装在活塞22上的锚杆1受到岩层内部变化产生的力时带动活塞22一起运动，此时活塞22向腔体2所在一侧运动，腔体22的体积缩小，腔体2内的液体通过该腔体开口进入管47；腔体内液体具体不做限制，优选具有润滑、防腐、防锈功能的油性液体。

腔体2也可以是液压油缸的油腔，在液压油缸的油腔上设置一油腔开口，锚杆1与液压油缸的活塞杆连接，锚杆1带动活塞杆运动，油腔体积变化，液体可通过油腔开口进入管47；腔体2还可以选用在受到外力挤压时可以产生形变的橡胶囊腔，锚杆1与囊腔外壁相抵触，工作时，将囊腔位置固定，锚杆1与囊腔外壁相抵接，当锚杆1受外力产生位移时挤压囊腔，使囊腔发生形变，囊腔内的液体从腔体开口挤入管47。

外壳3底部安装有内部设置有弹簧管座通路的弹簧管座43，，弹簧管座通路进口端与管47连接，出口端与弹簧管45的开口端相连接；液体经管47进入弹簧管座43，流经弹簧管座通路后进入弹簧管45；弹簧管45的封闭端通过螺栓和钢丝与应变梁44的一端连接，应变梁44的另一段固定于外壳3内。

弹簧管45为用弹性材料制作的中空管，可以是如图1所示的C形，还可以是螺旋形或盘簧形等形状，具体形状不限制，当液体进入弹簧管45时，弹簧管45在流体压力作用下发生变形，封闭端产生位移，此时弹簧管45的封闭端对应变梁44产生拉力，使得应变梁44在该拉力的作用下发生形变；光纤42的应变光栅421粘贴在应变梁44的固定端和连接端之间，用于感受应变梁44的形变，光纤42将应变光栅421感受到的信号传输给光纤光栅信号分析仪。

如图1所示的光纤光栅测力装置，工作时，锚杆1受到外力作用发生位移，带动活塞22运动，使得腔体2内的液压油在该挤压力的作用下经油管47、弹簧管座43挤进弹簧管45；弹簧管45的在液压油的作用下发生形变，弹簧管45的封闭端产生位移，弹簧管45的封闭端通过螺栓和钢丝对应变梁44施加作用力，使应变梁44发生弯曲形变；应变梁44的弯曲形变被粘贴在其上的应变光栅421感知，并通过光纤42将感知信号传送到光纤光栅信号分析仪；光纤光栅分析仪将接收到的光栅波长变化信号通过分析，转换成锚杆1所受到的外力，从而实现对锚杆1受力的测量。

在实际应用中，由于光纤光栅在工作中不可避免的会受到环境温度的影响，而环境温度的改变将直接导致测量值发生漂移变化，为解决这一问题，本发明做了进一步改进：光纤42上还设置有与应变光栅421串联的温补光栅422，温补光栅422粘贴在设置于外壳3内的温补梁46上。工作时，温补梁46不受力，因此粘贴在其上的温补光栅422只受到环境温度的影响，而应变光栅421既受到应变梁应变作用力的影响，又受到环境温度的影响。当温补光栅422的与应变光栅421受到的环境温度影响相同时，将应变光栅421的测量值减去温补光栅422的测量值，即可去除温度对测量值的影响，实现温度自动补偿，使测量数值更加可靠。

由于采用光栅光纤作为压力信号的传感器，一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响，因此，本发明抗雷击性能好，抗电磁干扰强，测量得到的数据受电磁影响小，稳定可靠；由于光纤传输本身信号损耗小，因此可通过增加光纤的长度来满足远距离测量的需要。另外，本使用新型以弹簧管45作为传递力的弹性元件，可通过更换不同的弹簧管45实现不同量程的转换，便于扩大测力装置的检测范围，同有目的地选择与测量值范围相适应的量程，可以减小系统误差，使测量的到的结果更加准确。

本发明中的光纤光栅测力装置除可用于测量锚杆1受力外，还可用于测量锚索受力，具体操作同锚杆1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光纤光栅测力装置，其特征在于：其包括腔体、外壳和置于外壳内的弹簧管、应变梁和光纤；

待测物与在待测物作用力下体积可变的腔体连接；所述腔体上设置有供腔体内液体进出的腔体开口；所述腔体开口与所述弹簧管的开口端相连；所述弹簧管的封闭端与所述应变梁的一端连接；所述应变梁的另一端固定于所述外壳；

所述应变梁上设置有用于感应所述应变梁形变的应变光栅，所述应变光栅通过光纤与光纤光栅信号分析仪连接。

2.如权利要求1所述的光纤光栅测力装置，其特征在于：所述外壳内设置有温补梁，所述温补梁上设置有与所述应变光栅串联的温补光栅。

3.如权利要求1或2所述的光纤光栅测力装置，其特征在于：所述腔体由外套和置于外套中与所述外套活动连接的活塞相互配合形成；所述腔体开口设置于所述外套；所述待测物通过所述活塞上的待测物安装孔与所述活塞连接。

4.如权利要求1或2所述的光纤光栅测力装置，其特征在于：所述外壳内还安装有用于固定弹簧管的弹簧管座；所述弹簧管座设置有弹簧管座通路，所述弹簧管座通路一端与所述腔体开口连接，另一端与所述弹簧管的开口端连接。

5.如权利要求1所述的光纤光栅测力装置，其特征在于：所述腔体开口与所述弹簧管开口端通过管连接。

6.如权利要求1所述的光纤光栅测力装置，其特征在于：所述待测物为锚杆或锚索。 

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