CN105157577A - 一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器，悬臂梁固定在基座上，基座安装于固定臂上，固定臂焊接在壳体上；悬臂梁上粘贴有温变光栅，悬臂梁上粘贴有应变光栅，光纤由密封堵头引入或引出；所述的滑轮固定于传动轴上，传动轴上设有回位弹簧、螺旋滑槽，两端通过滚动轴承固定在壳体上；所述的触头一端固定在悬臂梁端头，另一端与螺旋滑槽接触；所述的钢丝绳一端缠绕在滑轮上，另一端伸出壳体，连接着锚头，锚头上设有锚片。本发明可用于基坑、边坡及隧道等工程的位移测量，测量范围大，测量精度高，性能稳定可靠。

Description

一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅位移测量技术领域，尤其是涉及一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器。

背景技术

基坑、边坡及隧道等工程施工风险高、影响范围大，为保证工程的顺利进行，需对工程本身及周围环境进行多项安全监控，从而为施工提供准确信息。其中，监控量测岩土体表层或深层的位移对认识岩土体的破坏机理，修正或改进岩土体计算模型，确保工程的安全可靠具有重要意义。

目前，基坑、边坡及隧道等工程中表层或深层岩土体位移的监测常采用机械式测量、电磁测量或光学测量等方法。机械式测量速度慢、精确度低；电磁测量易受电磁干扰；光学测量虽然精确度高，但受到光直线传播的约束，因此，不适合监测工程现场表层或深层岩土体位移的需求。

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器，该传感器具有易制作、测量范围大、测量精度高、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，以克服现有技术存在的机械式测量速度慢、精确度低，电磁测量易受电磁干扰，光学测量受到光直线传播的约束等不足。

发明内容

本发明技术方案如下：该传感器包括壳体、悬臂梁、触头、基座、石墨滑槽、固定臂、传动轴、滑轮、回位弹簧、螺旋滑槽、应变光栅、温变光栅，所述的悬臂梁固定在基座上，基座分别通过石墨滑槽安装于固定臂上，固定臂焊接在壳体上；所述的悬臂梁上粘贴有温变光栅，悬臂梁上粘贴有应变光栅，光纤由密封堵头引入或引出；所述的滑轮固定于传动轴上，传动轴上设有回位弹簧、螺旋滑槽，传动轴两端通过滚动轴承固定在壳体上；所述的触头一端固定在悬臂梁端头，另一端与螺旋滑槽接触；所述的钢丝绳一端缠绕在滑轮上，另一端伸出壳体连接锚头，锚头上设有锚片。

所述的基座通过石墨滑槽可在固定臂上一定范围内轴向移动。

所述的悬臂梁上分别粘贴有温变光栅和应变光栅，且温变光栅、应变光栅在悬臂梁上的粘贴长度及粘贴位置均相同，光纤由密封堵头引入或引出。

所述的滑轮固定于传动轴上，传动轴上设有回位弹簧和螺旋滑槽，传动轴两端通过滚动轴承固定在壳体上，并采用密封片密封。

所述的触头一端固定在其中一个悬臂梁端头，另一端与螺旋滑槽接触。

所述的钢丝绳一端缠绕在滑轮上，另一端伸出壳体，连接着锚头，锚头上设有锚片。

作为优选，所述的悬臂梁为等截面悬臂梁。

作为优选，所述的基座、石墨滑槽、固定臂外观均为矩形，石墨滑槽嵌于基座内，固定臂嵌于石墨滑槽中心。

作为优选，所述的悬臂梁上粘贴光栅所用的粘贴剂为环氧树脂胶。

作为优选，所述的密封堵头、密封片均采用橡胶类弹性体材料。

作为优选，所述的滑轮直径约为传动轴直径的5~10倍。

作为优选，所述的螺旋滑槽的槽深按对数螺旋线渐变。

作为优选，所述的回位弹簧刚度数值上至少要小于岩土体抗剪强度的1%。

作为优选，所述的钢丝绳为不锈钢钢丝绳。

作为优选，所述的锚片为不锈钢制成，厚度约1mm左右，可弹性弯折。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）结构简单，造价低；

（2）可用于各种基坑、边坡及隧道等现场工程位移监测，应用范围广；

（3）所测位置的位移经滑轮、悬臂梁二次缩小，测量范围大；

（4）所测位置的位移传递关系明确，测量精度可靠。

附图说明

附图1是本发明中光纤光栅传感器的俯视透视图；

附图2是本发明中光纤光栅传感器的仰视透视图；

附图3是本发明中光纤光栅传感器的侧视透视图。

图中标号：1为壳体、2为基座、3为悬臂梁、4为固定臂、5为光纤、6为光纤、7为固定臂、8为基座、9为悬臂梁、10为滑轮、11为回位弹簧、12为光纤、13为螺旋滑槽、14为光纤、15为钢丝绳、16为锚片、17为锚头、18为密封堵头、19为滚动轴承、20为传动轴、21为密封片、22为应变光栅、23为温变光栅、24为密封堵头、25为触头、26为石墨滑槽、27为石墨滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器，如图1、2、3所示，该传感器包括壳体1、悬臂梁3、9、触头25、基座2、8、石墨滑槽27、26、固定臂4、7、传动轴20、滑轮10、回位弹簧11、螺旋滑槽13、滚动轴承19、密封片21、钢丝绳15、锚头17、锚片16、光纤5、6、12、14、应变光栅22、温变光栅23、密封堵头18、24等。

所述的悬臂梁3、9固定在基座2、8上，基座2、8通过石墨滑槽27、26安装于固定臂4、7上，并可在固定臂4、7上一定范围轴向移动，固定臂4、7焊接在壳体1上；所述的悬臂梁3上粘贴有温变光栅23，悬臂梁9上粘贴有应变光栅22，且温变光栅23、应变光栅22在悬臂梁3、悬臂梁9上的粘贴长度及粘贴位置均相同，光纤5、6、12、14由密封堵头24、18引入或引出；所述的滑轮10固定于传动轴20上，可与传动轴20一起转动，传动轴20上设有回位弹簧11、螺旋滑槽13，两端通过滚动轴承19固定在壳体1上，滚动轴承19内、外侧均设有密封片21；所述的触头25一端固定在悬臂梁9端头，另一端与螺旋滑槽13接触；所述的钢丝绳15一端缠绕在滑轮10上，另一端伸出壳体1，连接着锚头17，锚头17上设有锚片16。

当需要监测基坑、边坡或隧道等工程中表层或深层岩土体位移时，将锚头17及锚片16锚定于所测岩土体位置处，调节光纤光栅传感器的触头25至螺旋滑槽13的中部，此时，悬臂梁9下方受拉，也即应变光栅22预受拉，然后再将壳体1安装在固定位置上；当所测岩土体发生位移时，锚头17及锚片16带动钢丝绳15伸展或收缩，由于钢丝绳15缠绕在滑轮10上，故在回位弹簧11的配合下，滑轮10正转或逆转；传动轴20与滑轮10固定在一起，且传动轴20两端设有滚动轴承19，因而传动轴20也随着滑轮10正转或逆转；传动轴20上的螺旋滑槽13的槽深按对数螺旋线渐变，触头25在悬臂梁9下方预受拉的作用下紧贴螺旋滑槽13的槽底，故在传动轴20的径向上，触头25随着传动轴20的正转或逆转而上移或下移，在传动轴20的轴向上，触头25微微移动；触头25与悬臂梁9一端固定，故触头25在传动轴20径向上的上移或下移将引起悬臂梁9下方受拉的增大或减小，触头25在传动轴20轴向上的微微移动促使基座8及石墨滑槽26沿固定臂7也微微移动；悬臂梁9下方受拉的增大或减小进一步导致应变光栅22伸长或缩短，通过比较被测岩土体发生位移前后应变光栅22的波长，即可确定应变光栅22的波长变化量。由于光纤光栅的波长除了受应力影响而变化外，还受温度的影响而变化，故有必要对传感器进行温度补偿，固定悬臂梁3的基座2、石墨滑槽27、固定臂4均与固定悬臂梁9的相同，由于悬臂梁3未因被测岩土体位移而发生应变，故悬臂梁3上的温变光栅23只受温度的影响，将应变光栅22的波长变化量减去温变光栅23的波长变化量，即可消除温度变化对应变光栅22波长的影响，也即可获得只因被测岩土体位移而引起的光栅的波长变化量。

本发明中光纤光栅传感器的波长变化量Δλ与被测岩土体的位移δ关系推导如下：

当被测岩土体的位移为δ时，钢丝绳15带动滑轮10也发生δ的线位移，则滑轮10带动传动轴20转过的角度为：

式中，R为滑轮10的半径。

由于螺旋滑槽13设在传动轴20上，故螺旋滑槽13极径的变化量为：

式中，、为常数，为螺旋滑槽13的初始极角，为自然对数的底。

由于触头25一端接触螺旋滑槽13，另一端固定在悬臂梁9端头上，故悬臂梁9端头的位移也为，则触头25作用在悬臂梁9上的力F为：

式中，E为悬臂梁9的弹性模量，I为悬臂梁9的截面惯矩，L为悬臂梁9的长度。则悬臂梁9的应力为：

式中，h为悬臂梁9的厚度。

由于应变光栅22的应变与应力之间的关系为：

故：

光纤光栅的Bragg中心波长为：

式中，为纤芯的有效折射率，为光栅周期。其轴向应变可表示为：

故应变光栅22只由应变引起的波长变化量为：

由于光纤光栅的和随温度的变化而变化，故通过在同样的悬臂梁3上设置温变光栅23，将应变光栅22的波长变化量减去温变光栅23的波长变化量即可获得上述只由应变引起的波长变化量，即可消除温度变化对应变光栅22波长的影响。

本发明通过外接光纤光栅解调仪测得应变引起的波长变化量，从而得出被测岩土体的位移，该发明可用于各种基坑、边坡及隧道等现场工程位移监测，测量范围大，精度高，性能可靠。

Claims (11)

1.一种用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：该传感器包括壳体、悬臂梁、触头、基座、石墨滑槽、固定臂、传动轴、滑轮、回位弹簧、螺旋滑槽、应变光栅、温变光栅，所述的悬臂梁（3、9）固定在基座（2、8）上，基座（2、8）分别通过石墨滑槽（27、26）安装于固定臂（4、7）上，固定臂（4、7）焊接在壳体（1）上；所述的悬臂梁（3）上粘贴有温变光栅（23），悬臂梁（9）上粘贴有应变光栅（22），光纤（5、6、12、14）由密封堵头（24、18）引入或引出；所述的滑轮（10）固定于传动轴（20）上，传动轴（20）上设有回位弹簧（11）、螺旋滑槽（13），传动轴两端通过滚动轴承（19）固定在壳体（1）上；所述的触头（25）一端固定在悬臂梁（9）端头，另一端与螺旋滑槽（13）接触；所述的钢丝绳（15）一端缠绕在滑轮（10）上，另一端伸出壳体（1）连接锚头（17），锚头（17）上设有锚片（16）。

2.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：滚动轴承（19）内、外侧均设有密封片（21）。

3.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的基座（2、8）上设置有石墨滑槽（27、26）。

4.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的温变光栅（23）、应变光栅（22）在悬臂梁（3、9）上的粘贴长度及粘贴位置均相同。

5.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的悬臂梁（2、9）为等截面悬臂梁。

6.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的基座（2、8）、石墨滑槽（27、26）、固定臂（4、7）外形为矩形，石墨滑槽（27、26）嵌于基座（2、8）内。

7.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的滑轮（10）直径为传动轴（20）直径的5~10倍。

8.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的螺旋滑槽（13）的槽深按对数螺旋线渐变。

9.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的回位弹簧（11）的刚度数值上至少要小于岩土体抗剪强度的1%。

10.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的钢丝绳（15）为不锈钢钢丝绳。

11.根据权利要求1所述的用于工程位移测量的光纤光栅传感器，其特征在于：所述的锚片（16）为不锈钢制成。