CN104976990A - 一种光纤光栅倾角仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅倾角仪，包括铝合金上盖、铝合金外壳、不锈钢底座、不锈钢质量球、铍青铜等强度梁、不锈钢毛细管、应变光栅、温度补偿光栅及光纤组成；所述铝合金外壳中封装了铍青铜等强度梁弹性元件用于倾角测量；铍青铜等强度梁通过传力杆与不锈钢质量球连接；铝合金上盖与不锈钢底座通过螺丝与铝合金外壳安装固定；传感器发生倾斜后，不锈钢质量球受重力影响对铍青铜等强度梁产生横向作用力，导致光栅轴向发生应变来测量被测物倾角角度的变化；本发明结构简单，设计小巧，使用方便，能够消除外界温度变化对测量误差影响，在土木工程结构小角度倾角监测中具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种倾角仪，尤其涉及应用在土木工程测量结构倾角变化的光纤光栅倾角仪。
技术背景
目前，基于光纤光栅原理的温度传感技术得到快速发展，光纤光栅具有防止电磁干扰、无电检测、抗雷击等优点，光纤光栅倾角仪在测量如高铁、桥梁、大坝、隧道和大型建筑等土木工程结构倾角变化中得到了应用。
由于野外工程环境复杂，遇到恶劣天气时，结构温度变化快，要求倾角仪必须具备良好的热传导性并能实时温度补偿，以消除温度变化对倾角测量的影响；同时，被测物倾斜变化对结构健康危害较大，工程要求倾角测量精度高；该传感器结构设计新颖，利用光纤光栅原理根据铍青铜等强度梁的厚度、传力杆长度及不锈钢质量球重量可实现不同量程高精度倾角测量；不锈钢毛细管能够能够快速实现温度传导，保证了温度测量没有滞后性，极大消除了温度变化对倾角测量的误差影响。
发明专利内容
本发明专利提供针对现有倾角测量中精度不够和温度补偿误差大的不足，提出了一种光纤光栅倾角仪。
本发明专利采用的技术方案如下：一种光纤光栅倾角仪，包括铝合金上盖、铝合金外壳、不锈钢底座、不锈钢质量球、铍青铜等强度梁、不锈钢毛细管、应变光栅、温度补偿光栅及光纤组成；所述铝合金外壳中封装了铍青铜等强度梁弹性元件用于倾角测量，封装了不锈钢毛细管作为温度补偿结构，共同组成倾角仪的核心传感部分；铍青铜等强度梁通过传力杆与不锈钢质量球连接；铝合金上盖与不锈钢底座通过螺丝与铝合金外壳安装固定；不锈钢底座四角有四个通孔，采用314不锈钢材料制作，通过4根螺杆固定在被测物上方并可调节水平。
所述应变光栅通过353ND胶胶粘在铍青铜等强度梁上，传感器发生倾斜后，不锈钢质量球受重力影响对铍青铜等强度梁产生横向作用力，导致光栅轴向发生应变来测量被测物倾斜角度的变化。
所述温度补偿光栅胶粘在不锈钢毛细管两端，来测量铝合金外壳内温度场变化，从而消除温度变化对应变光栅的波长变化影响。
所述铝合金上盖及铝合金外壳采用6061铝材制作，以实现铝合金外壳内快速传导热量使得温度场均匀。
所述不锈钢质量球采用314不锈钢材料制作，在使用前通过两边松紧器螺杆紧固，以保障仪器在运输中不发生晃动，在使用前松开松紧器螺杆以保证不锈钢质量球在量程范围内可摆动。
所述不锈钢底座采用314不锈钢材料制作，通过4根螺杆固定在被测物上方，在安装过程中通过水平尺精准调整水平。
在组装过程中，第一步组装传感部分，首先将应变光栅通过353ND胶粘固在铍青铜等强度梁的上下两端，应变光栅居中，保持预张拉1nm状态下烘干；然后将温度补偿光栅穿在不锈钢毛细管中间，保持预张拉1nm状态，两端用353ND胶粘固并烘干。
第二步是将不锈钢质量球通过螺丝固定在传力杆上，传力杆通过连接件与铍青铜等强度梁固定，之后，铍青铜等强度梁通过螺丝固定在不锈钢固定块上，不锈钢固定块通过螺丝固定在铝合金外壳对应位置。
第三步是将两端光纤从铝合金上盖中引出，将两个尾纤套管安固在铝合金上盖中，铝合金上盖和不锈钢底座通过螺丝与铝合金外壳固定；固定后，螺丝及外壳边封用螺丝胶涂牢。
第四步是将松紧器螺杆旋固在铝合金外壳中，传感器除倾角率定和正常使用外，其他情况下都要调紧松紧器螺杆，确保不锈钢质量球处在静止状态。
在组装好后，对光纤光栅倾角仪进行温度补偿率定和倾角率定；温度率定时，调紧松紧器螺杆，要求从-20℃到85℃，升温和降温各做两次，每隔5℃记录一次应变光栅波长和温度补偿光栅波长数据，温度率定结束后，计算出该传感器的温度补偿系数，倾角率定时，要求在恒温环境中进行，从-5°到5°，倾斜重复做两次，每隔0.5°记录一次应变光栅波长数据，倾角率定结束后，计算出该传感器的倾角变化系数。
在仪器运输过程中，调紧松紧器螺杆，以免在运输中不锈钢质量球发生晃动从而损坏仪器。
工程安装使用中，通过不锈钢底座的4个通孔将传感器调整水平，然后松开松紧器螺杆。
本发明专利结构简单，组装、安装方便，有效提高了倾角测量的精度和灵敏度，有效避免了外界温度变化快带来的误差影响，在土木工程结构倾角监测中具有很高的实用价值。
附图说明
图1 为本发明专利的原理示意图；图中：1：光纤，2：尾纤套管， 3：铍青铜等强度梁，4：铝合金上盖，5：不锈钢固定块，6：铝合金外壳， 7：353ND胶，8：温度补偿光栅，9：不锈钢毛细管，10：连接件，11：传力杆，12：不锈钢质量球，13：松紧器螺杆，14：不锈钢底座，15：通孔。
图2 为本发明专利的传感器侧视图；图中：1：光纤，2：尾纤套管， 3：铍青铜等强度梁，4：铝合金上盖，5：不锈钢固定块，6：铝合金外壳， 7：353ND胶，11：传力杆，12：不锈钢质量球，14：不锈钢底座，15：通孔，16：应变光栅。
具体实施方式
为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明专利实施方式做详细描述。
如图1所示，一种光纤光栅倾角仪，包括铝合金上盖(4)、铝合金外壳(6)、不锈钢底座(14)、不锈钢质量球(12)、铍青铜等强度梁(3)、不锈钢毛细管(9)、应变光栅(16)、温度补偿光栅(8)及光纤(1)组成；所述铝合金外壳(6)中封装了铍青铜等强度梁(3)弹性元件用于倾角测量，封装了不锈钢毛细管(9)作为温度补偿结构，共同组成倾角仪的核心传感部分；铍青铜等强度梁(3)通过传力杆(11)与不锈钢质量球(12)连接；铝合金上盖(4)与不锈钢底座(14)通过螺丝与铝合金外壳(6)安装固定；不锈钢底座(14)四角有四个通孔(15)，采用314不锈钢材料制作，通过4根螺杆固定在被测物上方并可调节水平。
如图2所示，所述应变光栅(16)通过353ND胶(7)胶粘在铍青铜等强度梁(3)上，传感器发生倾斜后，不锈钢质量球(12)受重力影响对铍青铜等强度梁(3)产生横向作用力，导致光栅轴向发生应变来测量被测物倾斜角度的变化。
所述温度补偿光栅(8)胶粘在不锈钢毛细管(9)两端，来测量铝合金外壳(6)内温度场变化，从而消除温度变化对应变光栅(16)的波长变化影响。
所述铝合金上盖(4)及铝合金外壳(6)采用6061铝材制作，以实现铝合金外壳(6)内快速传导热量使得温度场均匀。
所述不锈钢质量球(12)采用314不锈钢材料制作，在使用前通过两边松紧器螺杆(13)紧固，以保障仪器在运输中不发生晃动，在使用前松开松紧器螺杆(13)以保证不锈钢质量球(12)在量程范围内可摆动。
所述不锈钢底座(14)采用314不锈钢材料制作，通过4个通孔(15)用螺杆固定在被测物上方，在安装过程中通过水平尺精准调整水平。
在组装过程中，第一步组装传感部分，首先将应变光栅(16)通过353ND胶(7)粘固在铍青铜等强度梁(3)的上下两端，应变光栅(16)居中，保持预张拉1nm状态下烘干；然后将温度补偿光栅(8)穿在不锈钢毛细管(9)中间，保持预张拉1nm状态，两端用353ND胶(7)粘固并烘干。
第二步是将不锈钢质量球(12)通过螺丝固定在传力杆(11)上，传力杆(11)通过连接件(10)与铍青铜等强度梁(3)固定，之后，铍青铜等强度梁(3)通过螺丝固定在不锈钢固定块(5)上，不锈钢固定块(5)通过螺丝固定在铝合金外壳(6)对应位置。
第三步是将两端光纤(1)从铝合金上盖(4)中引出，将两个尾纤套管(2)安固在铝合金上盖(4)中，铝合金上盖(4)和不锈钢底座(14)通过螺丝与铝合金外壳(6)固定；螺丝及外壳边封用螺丝胶涂牢。
第四步是将松紧器螺杆(13)旋固在铝合金外壳(6)中，传感器除倾角率定和正常使用外，其他情况下都要调紧松紧器螺杆(13)，确保不锈钢质量球(12)处在静止状态。
在组装好后，对光纤光栅倾角仪进行温度补偿率定和倾角率定；温度率定时，调紧松紧器螺杆(13)，要求从-20℃到85℃，升温和降温各做两次，每隔5℃记录一次应变光栅(16)波长和温度补偿光栅(8)波长数据，温度率定结束后，计算出该传感器的温度补偿系数，倾角率定时，要求在恒温环境中进行，从-5°到5°，倾斜重复做两次，每隔0.5°记录一次应变光栅(16)波长数据，倾角率定结束后，计算出该传感器的倾角变化系数。
在仪器运输过程中，调紧松紧器螺杆(13)，以免在运输中不锈钢质量球(12)发生晃动从而损坏仪器。
工程安装使用中，通过不锈钢底座(14)的4个通孔(15)将传感器调整水平，然后松开松紧器螺杆(13)。
以上所述仅为本发明专利的较佳实施实例，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：包括铝合金上盖、铝合金外壳、不锈钢底座、不锈钢质量球、铍青铜等强度梁、不锈钢毛细管、应变光栅、温度补偿光栅及光纤组成；所述铝合金外壳中封装了铍青铜等强度梁弹性元件用于倾角测量，封装了不锈钢毛细管作为温度补偿结构，共同组成倾角仪的核心传感部分；铍青铜等强度梁通过传力杆与不锈钢质量球连接；铝合金上盖与不锈钢底座通过螺丝与铝合金外壳安装固定；不锈钢底座四角有四个通孔，采用314不锈钢材料制作，通过4根螺杆固定在被测物上方并可调节水平。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：所述应变光栅通过353ND胶胶粘在铍青铜等强度梁上，传感器发生倾斜后，不锈钢质量球受重力影响对铍青铜等强度梁产生横向作用力，导致光栅轴向发生应变来测量被测物倾角角度的变化。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：所述温度补偿光栅胶粘在不锈钢毛细管两端，来测量铝合金外壳内温度场变化，从而消除温度变化对应变光栅的波长变化影响。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：所述铝合金上盖及铝合金外壳采用6061铝材制作，以实现铝合金外壳内快速传导热量使得温度场均匀。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：所述不锈钢质量球采用314不锈钢材料制作，在使用前通过两边松紧器螺杆紧固，以保障仪器在运输中不发生晃动，在使用前松开松紧器螺杆以保证不锈钢质量球在量程范围内可摆动。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅倾角仪，其特征在于：所述不锈钢底座采用314不锈钢材料制作，通过4根螺杆固定在被测物上方，在安装过程中通过水平尺精准调整水平。
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