CN103542871A - 基于碳纤维材料的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，包括环形框架，特征在于：环形框架的内部空腔中设置有螺旋凸轮、探测臂、悬臂梁和支撑弹簧，固定轴上固定有齿轮；悬臂梁的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅、下光纤光栅，探测臂的一端设置有与齿轮相啮合的齿条，另一端伸出于环形框架。本发明的光纤传感器，通过测量悬臂梁的弯曲程度，可得出螺旋凸轮的转动角度，最终确定出墙体裂缝的变化量。不仅可测量裂缝，也可测量风道和管路的开度以及建筑的局部应变；通过更换齿轮和齿条的尺寸，可实现不同的测量精度和范围。同时可以测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度风量开关开度以及电力通信领域塔架，及架空线路摇摆情况。

Description

基于碳纤维材料的光纤传感器

技术领域

 本发明涉及一种基于碳纤维材料的光纤传感器，更具体的说，尤其涉及一种设置有螺旋凸轮和齿轮啮合结构的基于碳纤维材料的光纤传感器。同时本发明的传感器，还可以测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度、风量开关开度以及电力通信领域的混凝土工程基础设施，及架空线路摇摆情况。

背景技术

由于建筑设计本身、施工工艺等因数，或者建筑物经过了长久的使用，会使得建筑墙体上出现裂缝、预制件与墙体之间出现裂缝。有些建筑的关键部位在应力的作用下，也会发生形变、位移等变化；再者，随着建筑物使用年限的延长，建筑物结构某处的角度也会发生变化。不影响建筑使用性能的裂缝、形变是允许存在的，但是如果裂缝随着时间会不断发生变化，达到影响建筑自身质量的程度，就不再被允许了。

在有些建筑物中，管道的开度、风道的开度也需要不间断的长期进行测量，现有的传感器使用年限远低于建筑设备的使用年限，使得传感器的检测不准确或检测失效，影响建筑物的正常、安全使用。

局限于现有的测量技术和仪器，只能通过常规的测量手段，从宏观上测出建筑结构裂缝、形变和角度的大小，而对于裂缝、形变和角度的细微变化，则不能表征出来。以及当建筑上的裂缝达到一定程度时，不在适于居住，建筑物内的人员应迅速撤离建筑物，并可有针对性的进行建筑加固修补，但目前还没有能够做出这种预警的设备。

现有检测建筑物裂缝、形变和角度变化的传感器均为电子器件，不仅容易受到外界的电磁干扰，影响测量的准确性，而且还容易发生腐蚀现象，降低了传感器的使用寿命。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种设置有螺旋凸轮和齿轮啮合结构的基于碳纤维材料的光纤传感器。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，包括内部为空腔的环形框架，所述环形框架的一侧固定有固定板；其特别之处在于：所述环形框架的内部空腔中设置有螺旋凸轮、探测臂、悬臂梁和支撑弹簧，螺旋凸轮通过固定轴转动地设置于固定板上，螺旋凸轮上固定有可绕固定轴转动的齿轮；悬臂梁固定于环形框架上，悬臂梁的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅、下光纤光栅，上光纤光栅和下光纤光栅形成光纤测量元件；探测臂的一端设置有与齿轮相啮合的齿条，另一端伸出于环形框架；悬臂梁处于水平位置时螺旋凸轮处于初始位置，且此时螺旋凸轮与悬臂梁相接触；支撑弹簧下端固定于环形框架上，上端与悬臂梁相接触，支撑弹簧处于始终迫使悬臂梁压向螺旋凸轮的状态；固定板通过多个第一固定螺钉固定于建筑墙体上，探测臂上远离齿轮的一端通过第二固定螺钉固定于建筑墙体上，第一固定螺钉、第二固定螺钉位于墙体裂缝的两侧。

环形框架和固定板起固定和支撑作用，其可采用硬质碳纤维板材料。螺旋凸轮通过固定轴进行固定，以保证螺旋凸轮在齿条与齿轮的啮合驱动下进行转动。螺旋凸轮的边缘与悬臂梁相接处，支撑弹簧对悬臂梁始终处于压迫状态，以便螺旋凸轮在正转和反转的过程中，悬臂梁向两侧均可进行弯曲。固定板通过第二固定螺钉固定于墙体裂缝的一侧，探测臂远离齿条的一侧通过第一固定螺钉固定于墙体裂缝的另一侧，这样墙体裂缝的变换，就会转化为探测臂的移动；探测臂通过齿条和齿轮的啮合带动螺旋凸轮进行转动，螺旋凸轮的转动会驱使悬臂梁弯曲，通过上光纤光栅和下光纤光栅可测得悬臂梁的弯曲程度，进而得出墙体裂缝的变化量。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，设螺旋凸轮与悬臂梁的接触点距离固定轴的中心的距离为R，则R=KA；其中，K为螺旋凸轮的螺旋常数，A为螺旋凸轮相对于初始位置转动的角度。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，所述环形框架的内外两侧分别设置有内层碳纤维布和外层碳纤维布，内层碳纤维布、外层碳纤维布的边缘分别设置有与墙面碳纤维布相连接的多块内层碳纤维布触角、多块外层碳纤维布触角。

通过在环形框架的两侧设置内层碳纤维布和外层碳纤维布，可对光纤传感器的各部分进行保护，通过设置的内层碳纤维布触角、外层碳纤维布触角可将整个光纤传感器与墙面碳纤维布相固定，实现对整个光纤传感器的固定。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，所述环形框架上设置有便于探测臂通过的开口，该开口处设置有对探测臂进行限位的两限位块。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，包括起信号采集和数据运算的微处理器，所述光纤测量元件的输出经光谱测量模块、信号处理电路后输入至微处理器的输入端，微处理器的输出端连接有信息显示模块；微处理器连接有电源模块和控制按键模块。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，所述环形框架和固定板为硬质碳纤维板材料。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，所述螺旋凸轮上固定有角度测量杆，角度测量杆用于测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度、风量开关开度以及电力通信领域的混凝土工程基础设施，及架空线路摇摆情况；通过更换齿条和齿轮的尺寸，可实现不同的测量精度和范围。将光纤传感器设置于管道、风道的阀门上，通过角度测量杆可有效地表征出阀门的开度。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，包括内部为空腔的环形框架，所述环形框架的一侧固定有固定板；其特别之处在于：所述环形框架的内部空腔中设置有探测臂、悬臂梁和转动螺杆，悬臂梁固定于环形框架上，悬臂梁的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅、下光纤光栅，上光纤光栅和下光纤光栅形成光纤测量元件；探测臂的一端设置有齿条，另一端伸出于环形框架；转动螺杆通过轴承与固定板相固定，转动螺杆上固定有与齿条相啮合的齿轮；所述转动螺杆的顶端固定有用于表征转动螺杆转动角度的角度测量杆，转动螺杆的上部固定有幅齿轮，幅齿轮与开度传动杆相啮合；当悬臂梁处于水平位置时，齿轮的转动角度为0rad，设转动螺杆的螺距为L，则悬臂梁距离水平位置的距离                                               

与齿轮转动的角度

之间满足：

。

本发明的有益效果是：本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，通过在螺旋凸轮的固定轴上设置齿轮，在探测臂上设置于齿轮相啮合的齿条，有效地将墙体裂缝的变化转化为螺旋凸轮的转动；通过设置与螺旋凸轮相接触的悬臂梁，并在悬臂梁上粘贴光纤光栅，可有效地测得悬臂梁的弯曲程度，进而得出螺旋凸轮的转动角度，最终通过获取探测臂的位移来确定墙体裂缝的变化量。同时，通过设置内层、外层碳纤维布并在其边缘设置触角，可有效地将整个光纤传感器固定于被测墙体上。通过设置信号处理电路、光谱测量模块和微处理器，可有效测得光纤光栅的变化量，进而获得悬臂梁的弯曲量；通过设置与微处理器相连接的显示屏，可对墙体裂缝的变化数值进行显示。本发明的传感器采用光纤光栅替代现有的电子原件，避免了电子器件易被腐蚀的弊端，有效地延长了传感器的使用寿命，并且具有更广的测量范围和更准的测量精度。本发明的光纤传感器还可以测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度、风量开关开度以及电力通信领域塔架，及架空线路摇摆情况。通过更换齿轮和齿条的尺寸，可实现不同的测量精度和范围。

附图说明

图1为本发明的光纤传感器的结构示意图；

图2为图1中局部结构的放大图；

图3为本发明的光纤传感器的应用原理图；

图4为本发明中内层、外层碳纤维布的结构示意图；

图5为本发明中电路部分的原理图；

图6为悬臂梁通过转动螺杆驱动的结构示意图。

图中：1环形框架，2固定板，3螺旋凸轮，4固定轴，5齿轮，6探测臂，7悬臂梁，8上光纤光栅，9下光纤光栅，10齿条，11支撑弹簧，12第一固定螺钉，13第二固定螺钉，14限位块，15内层碳纤维布，16建筑墙体，17外层碳纤维布，18墙面碳纤维布，19内层碳纤维布触角，20外层碳纤维布触角，21微处理器，22光纤测量元件，23信号处理电路，24光谱测量模块，25电源模块，26信息显示模块，27控制按键模块，28墙体裂缝，29角度测量杆，30转动螺杆，31齿轮，32轴承，33齿条，34幅齿轮，35开度传动杆。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的光纤传感器的结构示意图，其包括环形框架1、固定板2、螺旋凸轮3、固定轴4、齿轮5、探测臂6、悬臂梁7、上纤维光栅8、下纤维光栅9、齿条10、支撑弹簧11；所示的环形框架1和固定板2起固定和支撑作用，环形框架1的内部为空腔，环形框架1和固定板2均可采用硬质碳纤维板材料。固定板2固定于环形框架1的一侧。螺旋凸轮3通过转动轴4设置于固定板2上，以保证螺旋凸轮3的自由转动，齿轮10与固定轴4相固定。探测臂6的右端位于环形框架1的内部空腔中，左端通过环形框架1的开口伸出。探测臂6的右端固定有与齿轮相啮合5的齿条10，通过齿条10与齿轮5的啮合转动，可驱使螺旋凸轮3转动。

悬臂梁7的右端固定于环形框架1的内壁上，左端与螺旋凸轮3的外沿相接触。悬臂梁7右端的上下两表面上分别粘贴有上光纤光栅8和下光纤光栅9，在悬臂梁7发生形变弯曲的情况下，上光纤光栅8和下光纤光栅9也会随之发生形变弯曲，通过测量光纤光栅所发生的形变量，可准确测得悬臂梁7的弯曲量；采用上光纤光栅8和下光纤光栅9可进行温度补偿，消除测量误差。支撑弹簧11设置于悬臂梁7的下方，支撑弹簧11的下端固定于环形框架1的内壁上，上端与悬臂梁7相接触，支撑弹簧11对悬臂梁7始终为压缩状态，以便悬臂梁7与螺旋凸轮3紧密贴合在一起。这样，无论螺旋凸轮3正转还是反转，悬臂梁7均会随之变化。

所示的固定板2通过多个第一固定螺钉12固定于建筑墙体16上，探测臂6的左端通过第二固定螺钉13固定于建筑墙体16上。在使用的过程中，第一固定螺钉12和第二固定螺钉13分别固定于墙体裂缝28的两侧，这样，探测臂6就会随着墙体裂缝28的变化而变化。在环形框架1的开口处设置有对探测臂6进行限位的限位块14，通过限位块14可保证探测臂6始终沿水平方向运动。

如图2所示，给出了图1中局部结构的放大图，如果设螺旋凸轮3与悬臂梁7的接触点距离固定轴4的中心的距离为R，K为螺旋凸轮的螺旋常数，A为螺旋凸轮相对于初始位置转动的角度，则R=KA。螺旋凸轮3上还固定有角度测量杆29，将光纤传感器设置有管道、风道的阀门上，可有效地实现对阀门开度的测量。如图3和图4所示，为了使整个光纤传感器与建筑墙体16融合为一体，在环形框架1的两侧可分别内层碳纤维布15和外层碳纤维布17，并在内层碳纤维布15的边沿固定多个内层碳纤维布触角19，在外层碳纤维布17的边沿固定多个外层碳纤维布触角20，在使用的过程中，将内层碳纤维布触角19、外层碳纤维布触角20均固定于墙面碳纤维布18上，这样，整个光纤传感器就会整个建筑墙体16融合为一体结构。

如图5所示，给出了本发明中电路部分的原理图，其包括微处理器21、信号处理电路23、光谱测量模块24、电源模块25、信息显示模块26、控制按键模块27；微处理器21具有信号采集、数据运算和控制输出的作用。上光纤光栅8和下光纤光栅9组成的光纤测量元件22，经过信号处理电路23、光谱测量模块24的放大、处理后，输入至微处理器21的输入端，微处理器21通过信号的转换、处理和运算，可有效计算出墙体裂缝28的变换数值，并通过信息显示模块26显示储量。电源模块25用于提供电路部分工作所需的直流电能，使用者通过按键模块27可输入相应的控制指令。

探测臂6与悬臂梁7之间的传动还可通过另一种结构形式来实现，如图6所示，给出了悬臂梁7通过转动螺杆驱动的结构示意图；所示的探测臂6上设置有齿条33，转动螺杆30通过轴承32设置于固定板2上，转动螺杆30通过轴承32可只有转动。转动螺杆30上设置有螺纹，悬臂梁7的前段置于螺纹之中，以便转动螺杆30转动的过程中可驱使悬臂梁7上下移动，进而使得上光纤光栅8和下光纤光栅9发生形变，实现对探测臂6位移的测量。图中转动螺杆30上还设置有角度测量杆29，以测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度、风量开关开度以及电力通信领域的混凝土工程基础设施，及架空线路摇摆情况。

如图6所示，给出了悬臂梁通过转动螺杆驱动的结构示意图，为另一种结构形式的传动结构，所示的环形框架1的内部空腔中设置有探测臂6、悬臂梁7和转动螺杆30，悬臂梁7固定于环形框架1上，悬臂梁7的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅8、下光纤光栅9，上光纤光栅8和下光纤光栅9形成光纤测量元件22；探测臂6的一端设置有齿条33，另一端伸出于环形框架1；转动螺杆30通过轴承32与固定板相固定，转动螺杆30上固定有与齿条33相啮合的齿轮31；所述转动螺杆30的顶端固定有用于表征转动螺杆30转动角度的角度测量杆29，转动螺杆的上部固定有幅齿轮32，幅齿轮与开度传动杆35相啮合；当悬臂梁7处于水平位置时，齿轮31的转动角度为0rad，设转动螺杆30的螺距为L，则悬臂梁7距离水平位置的距离

与齿轮转动的角度

之间满足：。

同时，图1和图2中的齿条10和齿轮5的大小还可更换，图6中所示的齿条33和齿轮31的大小也可更换，以实现不同的测量精度和范围。

在安装的过程中，固定板2通过多个第一固定螺钉12固定于墙体裂缝28的一侧，探测臂6的左端通过第二固定螺钉13固定于墙体裂缝28的另一侧；然后将19内层碳纤维布触角和20外层碳纤维布触角均与墙面碳纤维布18相连接，这样，就实现了光纤传感器的固定。

本发明的光纤传感器的工作原理：光纤传感器安装完成之后，探测臂6会随着墙体裂缝28的变化而发生移动，探测臂6发生移动就会驱使齿条10发生运动；齿条10通过与齿轮5的啮合驱使螺旋凸轮3的发生转动，螺旋凸轮3发生转动会使悬臂梁7发生弯曲，上光纤光栅8和下光纤光栅9随悬臂梁7的发生弯曲；微处理器21通过测量上光纤光栅8和下光纤光栅9弯曲量，可得出探测臂6的移动距离，进而获取墙体裂缝28的变化量。

本发明的基于碳纤维材料的光纤传感器，可有效确定墙体裂缝的变化量，并可对墙体裂缝的变化数值进行显示。

Claims (8)

1.一种基于碳纤维材料的光纤传感器，包括内部为空腔的环形框架（1），所述环形框架的一侧固定有固定板（2）；其特征在于：所述环形框架的内部空腔中设置有螺旋凸轮（3）、探测臂（6）、悬臂梁（7）和支撑弹簧（11），螺旋凸轮通过固定轴（4）转动地设置于固定板（2）上，螺旋凸轮上固定有可绕固定轴转动的齿轮（5）；悬臂梁固定于环形框架上，悬臂梁的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅（8）、下光纤光栅（9），上光纤光栅和下光纤光栅形成光纤测量元件（22）；探测臂的一端设置有与齿轮相啮合的齿条（10），另一端伸出于环形框架（1）；悬臂梁处于水平位置时螺旋凸轮处于初始位置，且此时螺旋凸轮与悬臂梁相接触；支撑弹簧下端固定于环形框架上，上端与悬臂梁相接触，支撑弹簧处于始终迫使悬臂梁压向螺旋凸轮的状态；固定板通过多个第一固定螺钉（12）固定于建筑墙体（16）上，探测臂上远离齿轮的一端通过第二固定螺钉（13）固定于建筑墙体上，第一固定螺钉、第二固定螺钉位于墙体裂缝（28）的两侧。

2.根据权利要求1所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：设螺旋凸轮（3）与悬臂梁（7）的接触点距离固定轴（4）的中心的距离为R，则R=KA；其中，K为螺旋凸轮的螺旋常数，A为螺旋凸轮相对于初始位置转动的角度。

3.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：所述环形框架（1）的内外两侧分别设置有内层碳纤维布（15）和外层碳纤维布（17），内层碳纤维布、外层碳纤维布的边缘分别设置有与墙面碳纤维布（18）相连接的多块内层碳纤维布触角（19）、多块外层碳纤维布触角（20）。

4.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：所述环形框架（1）上设置有便于探测臂（6）通过的开口，该开口处设置有对探测臂进行限位的两限位块（14）。

5.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：包括起信号采集和数据运算的微处理器（21），所述光纤测量元件（22）的输出经光谱测量模块（24）、信号处理电路（23）后输入至微处理器的输入端，微处理器的输出端连接有信息显示模块（26）；微处理器连接有电源模块（25）和控制按键模块（27）。

6.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：所述环形框架（1）和固定板（2）为硬质碳纤维板材料。

7.根据权利要求1或2所述的基于碳纤维材料的光纤传感器，其特征在于：所述螺旋凸轮（3）上固定有角度测量杆（29），角度测量杆用于测量建筑内相关存在角度的变化以及阀门开度、风量开关开度以及电力通信领域的混凝土工程基础设施，及架空线路摇摆情况；通过更换齿条（10）和齿轮（5）的尺寸，可实现不同的测量精度和范围。

8.一种基于碳纤维材料的光纤传感器，包括内部为空腔的环形框架（1），所述环形框架的一侧固定有固定板（2）；其特征在于：所述环形框架的内部空腔中设置有探测臂（6）、悬臂梁（7）和转动螺杆（30），悬臂梁固定于环形框架上，悬臂梁的上、下两表面上分别贴有完全相同的上光纤光栅（8）、下光纤光栅（9），上光纤光栅和下光纤光栅形成光纤测量元件（22）；探测臂的一端设置有齿条（33），另一端伸出于环形框架（1）；转动螺杆通过轴承（32）与固定板相固定，转动螺杆上固定有与齿条（33）相啮合的齿轮（31）；所述转动螺杆的顶端固定有用于表征转动螺杆转动角度的角度测量杆（29），转动螺杆的上部固定有幅齿轮（32），幅齿轮与开度传动杆（35）相啮合；当悬臂梁处于水平位置时，齿轮（31）的转动角度为0rad，设转动螺杆的螺距为L，则悬臂梁距离水平位置的距离                                               

与齿轮转动的角度

之间满足：

。

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