CN105716782A - 光纤光栅风压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤光栅风压力传感器，其主要包括光纤光栅11、导风管8，接风片2、力放大杠杆3、支点钢杆4、重锤5、信号传输光纤1、水平调节器以及其它必要的固定和连接部分等。光纤光栅11由重锤5进行预拉紧并与杠杆系统处于平衡状态，风荷载通过导风管8作用在不锈钢接风片2上，通过力放大杠杆3将风压力放大并作用在光纤光栅11上，使得光纤光栅11上的作用荷载产生变化，并通过传导光纤1将信号传出，该传感器可测量风吸力和风压力。

Description

光纤光栅风压力传感器

技术领域

本发明是一种测量风压的传感器，特别涉及一种用光纤光栅原理测量风压力的传感器，主要应用于建筑、桥梁、大坝等土木工程的风压力监测。。

背景技术

传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱。随着信息化的发展，信息的传输、获取及处理已称为现代社会极其重要的组成部分。随着工业技术的发展，应用中对传感器的要求逐步提高，要求传感器具有高精度、高灵敏度以及广泛的量程，此外，还需具备数字化或线性化输出的能力。

光纤通信的迅猛发展加快了光纤传感器在工程领域的应用。其中，光纤光栅传感器的表现尤为突出，是使用范围最广频率最高的光纤传感器。光纤传感器还包括光纤电流传感器、光纤水听器以及光纤陀螺。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能极其稳定、绝缘性能优异；传感器结构灵巧轻便、几何形状可塑，适用于一些要求传感器体积小重量轻的应用场合，可埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测；传输损耗小，可实现远距离遥控监测；光栅制作方便，没有零漂，出厂后无需定期检定；光纤光栅的写入工艺成熟，便于大规模生产和商品化。但也具备不足之处：封装工艺复杂、对应力和温度同时敏感且受到传感信号的解调技术的限制，需要波长解调仪对光纤光栅的信号进行解调，可以达到解调精度的解调仪以及光谱仪价格较为昂贵，使得成本增高，而一般的光谱仪无法达到解调精度。

光纤光栅利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。由于特有的优点，光纤光栅被广泛应用于传感器的设计。光纤光栅的信号是波长编码的信号，若要进行非光学物理量的测量，比如在传感器的设计中，需将待测物理量转变为波长信号。也就是将被测的位移、压力、应变、温度、加速度等转变为波长进行显示。光纤光栅是利用光敏光纤的光致折射率变化，把光纤放置于紫外光形成的空间干涉条纹中曝光而在纤芯形成的空间相位光栅。当光栅处的温度、应力、应变变化时，发射峰值即测得的光栅波长将发生相应的变化。

目前国内尚无光纤光栅风压传感器的成型产品，但光纤光栅压力传感器如土压力、水压力等传感器已有较多的成型产品，上述光纤光栅压力传感器的测量范围往往为兆帕级，且灵敏度较低，无法测量微小的风荷载，因此研制可测量微小风压力的光纤光栅传感器就十分必要。

发明内容

本发明属于创新性设计，可提供一种可探测微小风荷载的、高灵敏度、高分辨率、高精度的光纤光栅风压力传感器。

本传感器具有光纤光栅类传感器所具有的抗电磁干扰、灵敏度高、适于在高温、腐蚀性等环境中使用等优点。如附图1，本发明的光纤光栅风压传感器由光纤光栅11、导风管8，接风片2、力放大杠杆3、支点钢杆4、重锤5、水平调节器组成，能测量风吸力和风压力。

本发明的核心部分是力放大部分。当风速为30m/s，不锈钢圆片2上每平方厘米对应的压力为5.4g，不锈钢圆片2的面积为1到3，所以不锈钢圆片上所受的压力共为5.4g到16.2g，若直接作用在光纤光栅1上，则光纤光栅11的应变过小，不能有效感知风荷载，因此采取一根力放大杠杆3把力进行放大若干倍后再作用在光纤光栅11上。

由于风的方向是不确定的，所以在接风口部分用一根导风管8，通过调节导风管8的开口方向，可以使得风垂直吹入传感器。又由于风压存在风吸力和风压力，要使光纤光栅风压传感器能够测量风吸力与风压力，光纤光栅11必须能够接受向上和向下的双向形变，所以用一个重锤5将光纤光栅11进行预张拉，重锤5为一个不锈钢长方体，重500g至700g。当风压为风压力时，力放大杠杆3的右端向上运动，抵消重锤5在光纤光栅11上所产生的应变；当风压为风吸力时，力放大杠杆3的右端向下运动并拉动光纤光栅11向下运动，产生更大的应变。光纤光栅11一端固定在外壳10内部，另一端固定于杠杆一端，并穿越重物5，引出外壳10。

由于重锤5在运输过程中不稳定，重锤5的晃动会导致光纤光栅11受损。所以在重锤5的四周设置挡板6，限制重锤5的运动。同时在外壳10的底部攻出两个螺纹通孔，使之可以从外壳10底部拧入两根顶丝9，将重锤5固定在上部挡板6上，以保护光纤光栅11不受损。

由于本发明在实际使用过程中，必须保持仪器处于水平，因此在仪器的底座上需安装一水平调节器，通过对三个脚螺旋的调节，使得圆水准器中的气泡居中，从而保证仪器的始终处于水平状态。

本发明所提供的风压传感器由于光栅采用张拉工艺，且光栅与金属的连接采用焊接工艺确保了传感器的可靠性和长期稳定性；力放大装置将风荷载放大了50倍，确保了风压传感器的高灵敏度和高测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

附图1：为本发明光纤光栅风压力传感器结构正视图。

附图2：为本发明光纤光栅风压力传感器的侧视图。

附图3：为本发明光纤光栅风压力传感器的重锤详图。

参考图1，本发明由光纤光栅11、导风管8，接风片2、力放大杠杆3、支点钢杆4、重锤5、信号传输光纤1、固定顶丝9、外保护壳10、传输光纤1、水平调节器以及其它必要的固定和连接部分等组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。

本发明结构如图1所示，包括光纤光栅11，用于感应风荷载变化；2是不锈钢圆片，用于接收风荷载；3是力放大杠杆，用于把2上接收到的力进行放大，再作用在光纤光栅11上；4是支点杠杆，用于支撑力放大杠杆3；5是重锤，用于拉伸光纤光栅11；6是挡板，用于限制重锤5的运动；8是导风管，可以改变其开口方向，接收来自不同方向的风荷载；9是顶丝，用于固定重锤5；10是传感器的保护外壳。

当外界没有风压力时，光纤光栅11在重锤5的重力作用下产生向下的拉伸变形，此时力放大杠杆3两边保持平衡。当风以vm/s的风速通过导风管8作用在不锈钢圆片2上时，根据风速与风压之间的关系公式：

（1）

其中为空气密度，约为1.2；为风速，P为该风速所对应的风压。作用在不锈钢圆片2上的风压为P，根据压强与压力之间的关系公式：

（2）

其中F为风压P所对应的风压力，S为不锈钢圆片2的面积，则作用在不锈钢圆片2上的风压力F即为，此时力放大杠杆3不再平衡。当风压表现为压力时，力放大杠杆3的右端向下移动，通过力放大杠杆3将F放大若干倍作用在光纤光栅11上，使得光纤光栅11受到向上的力，由于风压力F的改变，感应光纤光栅11发生应变，的改变引起光纤光栅11的改变，信号输出波长改变量为，建立函数：

（3）

如此便可测得不锈钢圆片2上所受的风压力F。再根据公式（2）便可计算出风压P的大小。

同理，当风压表现为风吸力时，力放大杠杆3的右端向上运动，通过力放大杠杆3将F放大若干倍作用在光纤光栅11上，使得光纤光栅11受到向下的力，使光纤光栅11进一步拉伸，产生应变，再根据公式（2）（3），便可计算出此时风吸力的大小。

根据上述原理和计算方法，并参照附图，即可装配出该风压传感器。其中光纤光栅的连接采用低温焊接工艺，传感器外壳为铝合金材质，杠杆材质为不锈钢，放大倍数约50倍，重锤质量约500～700g。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光纤光栅风压传感器，其特征是由光纤光栅、接风口部分、力放大杠杆、支点钢杆、重锤、水平调节器组成，可测量风吸力和风压力。

2.根据权利要求1所述，光纤光栅作为传感芯片，接风口部分是由一条导风管和接收风压力的不锈钢圆片组成，导风管由PTFE制成，可以改变其开口方向，使风压作用在不锈钢圆片上；不锈钢圆片直径为15mm到20mm，厚度为0.5mm到1mm，下底面通过一根不锈钢杆与力放大杠杆的一端连接，用于接受风荷载。

3.根据权利要求1和2所述，当风速为30m/s，圆片上每平方厘米对应的压力为5.4g，若直接作用在光纤光栅上，则光纤光栅的应变过小，所以通过一根不锈钢的力放大杠杆把力进行放大，放大倍数50倍，之后再作用于光纤光栅。

4.根据权利要求1所述，要使光纤光栅风压传感器能够测量风吸力与风压力，光纤光栅必须能够发生向上和向下的双向形变，所以用一个重锤将光纤光栅进行预张拉，重锤为一个重约为500g到700g的不锈钢长方体，光纤光栅一端固定在外壳内部，另一端穿越重物导出外壳。

5.根据权利要求1和4所述，仪器的底座平面必须保持在水平面上，从而使重锤保持垂直，所以传感器下部必须安置一个水平调节器，使底座平面保持在水平面上。