CN106705865A - 一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计，第一弹簧的两端分别安装有第一垫块和第二垫块，第一弹簧安的一端固定在等强度梁上，另一端与第一探杆相连接，第一光纤光栅和第二光纤光栅分别粘贴在等强度梁的正面和反面，等强度梁下端固定安装有第三垫块；第三光纤光栅和第四光纤光栅粘贴在悬臂梁的正面和反面，第二弹簧的上下两端安装有第五垫块和第四垫块，第二弹簧的一端固定在悬臂梁上，另一端与第二探杆相连接，第二探杆垂直安装在位移计固定装置的水平方向上；其结构简单，操作方便，原理科学，制备和维护成本低，适用于在各种天气下同时测量待测点的水平位移和竖直位移。

Description

一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计

技术领域：

本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种光纤光栅位移计，特别是一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计。

背景技术：

在土木工程、边坡工程等领域，结构健康监测对于工程的长期运行具有至关重要的意义。目前，在建筑结构位移的监测过程中如遇大雨、大雪等恶劣的天气时，室外监测将不能正常进行进，而恶劣天气发生时也正是数据监测的关键时期，监测数据缺失容易导致对建筑物位移变化判断失真等一系列问题；另外，工程中采用的量具大多是电子式传感器，如中国专利2012201476882公开的传感器结构和包括所述传感器结构的光栅光纤位移传感器，由于电子传感器自身存在抗雷击性能差，抗电磁干扰性能差、测量距离较近的缺陷，故造成了可靠性差、测量范围小、测量精度不高的问题。1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入发制成第一支光纤光栅，经过三十多年的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用。目前，已公开的光纤光栅位移测量装置，如中国专利2016101592918公开的一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器、2016202096060公开的一种测量相对位移的光纤光栅位移传感器、2016101658366公开的一种光纤光栅位移传感器等等，但是现有的这些测量装置或设备在恶劣天气下不能进行连续测量，而且位移计功能过于单一，只能测水平位移或者只能测竖直位移，因此，寻求一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计，采用串接的接口方式将基于弹簧和等强度梁的位移计相串联的方法，在监测待测点的水平位移的同时还可测出该点的竖直位移，从而大大节约工程测量的时间成本。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有位移计的缺点，寻求设计提供一种串接方式下的光纤光栅位移计，同时测量待测点的水平位移和该点的竖直位移。

为了实现上述目的，本发明的主体结构第一探杆、第一垫块、第一弹簧、第二垫块、等强度梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三垫块、第二探杆、第四垫块、第二弹簧、第五垫块、悬臂梁、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第一尾纤、第二尾纤、位移计固定装置和壳体开口；第一垫块和第二垫块固定在与L形结构的位移计固定装置采用无摩擦滑动轨道相连的位移计壳体上，第一弹簧的两端分别固定安装有第一垫块和第二垫块，第一弹簧安装有第二垫块的一端固定在等强度梁上，另一端与第一探杆相连接，第一探杆和待测建筑物相连，等强度梁与第二垫块采用无摩擦滑动轨道相连，使等强度梁在竖直方向上产生位移，第一光纤光栅和第二光纤光栅采用军用胶J133分别对称粘贴在等强度梁的正面和反面，等强度梁粘贴有第二光纤光栅的一侧下端固定安装有第三垫块；位移计固定装置采用军用胶J133粘贴在待测建筑物上；悬臂梁采用军用胶J133水平固定在位移计壳体上，第三光纤光栅和第四光纤光栅采用军用胶J133分别对称粘贴在悬臂梁的正面和反面，第二弹簧的上下两端分别固定安装有第五垫块和第四垫块，第二弹簧安装有第五垫块的一端固定在悬臂梁上，另一端与第二探杆相连接，第二探杆垂直安装在位移计固定装置的水平方向上，第二光纤光栅、第一光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅依次采用光缆串接并经过壳体开口引出，连接第一光纤光栅和第三光纤光栅的光缆穿过悬臂梁；第一尾纤与连接第四光纤光栅的光缆连接，第二尾纤与连接第二光纤光栅的光缆连接。

本发明所述第一尾纤为不同波长的光载波信号发送端，与复用器相连并发射红色和蓝色两种不同波长的光载波，其中红色光载波用于测量待测建筑物的水平位移，蓝色光载波用于测量待测建筑物的沉降；光载波经复用器汇合在一起并耦合到光纤路中同一根光纤中进行传输；第二尾纤为光纤的接收端，与分波器相连，第二尾纤经分波器将各种波长的光载波进行分离，然后由外接的光接收机进一步处理恢复信号。

本发明工作时，外接产生的位移量经第二探杆和第二弹簧输入悬臂梁，输入的位移量使悬臂梁发生变形，悬臂梁的变形量引起粘贴在其正反两面的第三光纤光栅和第四光纤光栅发生形变并产生相应的应变值；然后检测两个光纤光栅感变形而发生的波长漂移并进行计算得到输入位移量，具体计算过程为：

(a)由于两个光纤光栅对称贴在悬臂梁的两侧能实现温度的自补偿，故两个光纤光栅的工作环境温度是相同的，那么光栅波长的漂移公式为：

式中：Δλ_B1为悬臂梁正面光纤光栅中心波长的漂移量；Δλ_B2为悬臂梁反面光纤光栅中心波长的漂移量；λ_B1为悬臂梁正面光纤光栅内布拉格谐振波长；λ_B2为悬臂梁反面光纤光栅内布拉格谐振波长；P为有效弹光系数；ε为悬臂梁一点处的应变值；

(b)设悬臂梁固定端的宽度为b，梁长为l，梁高为h，梁的弹性模量为E，则梁自由端挠度δ和梁自由端所受力F之间的关系为：

悬臂梁各点应变值ε和梁自由端所受力F之间的关系为：

将(3)式带入(2)式可得：

(c)如外界有位移量x经第二探杆输入位移计，则有如下关系式：

δ＝x (5)

由(4)和(5)可知：

将公式(6)变形带入公式(1)可以得出位移与波长之间的关系，如下：

本发明所述悬臂梁与等强度梁采用弹簧钢制成，弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能、抗弹减性能、疲劳性能、淬透性、物理化学性能等。

本发明与现有技术相比，解决了恶劣天气不能进行连续测量以及位移计功能过于单一问题，而且光栅光纤双面粘贴于悬臂梁的两面，实现了温度的自补偿；悬臂梁中轴线上有光纤粗细的凹槽，确保光纤光栅粘在悬臂梁的中轴线上，有利于制作；其结构简单，操作方便，原理科学，制备和维护成本低，适用于在各种天气下同时测量待测点的水平位移和竖直位移。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例的主体结构第一探杆1、第一垫块2、第一弹簧3、第二垫块4、等强度梁5、第一光纤光栅6、第二光纤光栅7、第三垫块8、第二探杆9、第四垫块10、第二弹簧11、第五垫块12、悬臂梁13、第三光纤光栅14、第四光纤光栅15、第一尾纤16、第二尾纤17、位移计固定装置18和壳体开口19；第一垫块2和第二垫块4固定在位移计壳体上，第一弹簧3的两端分别固定安装有第一垫块2和第二垫块4，第一弹簧3安装有第二垫块4的一端固定在等强度梁5上，另一端与第一探杆1相连接，第一探杆1和待测建筑物相连，等强度梁5与第二垫块4采用无摩擦滑动轨道相连，使等强度梁5在竖直方向上产生位移，第一光纤光栅6和第二光纤光栅7采用军用胶J133分别对称粘贴在等强度梁5的正面和反面，等强度梁5粘贴有第二光纤光栅的一侧下端固定安装有第三垫块8；位移计壳体(受图形限制，未在图中标出)与L形结构的位移计固定装置18采用无摩擦滑动轨道相连，位移计固定装置18采用军用胶J133粘贴在待测建筑物上；悬臂梁13采用军用胶J133水平固定在壳体上，第三光纤光栅14和第四光纤光栅15采用军用胶J133分别对称粘贴在悬臂梁13的正面和反面，第二弹簧11的上下两端分别固定安装有第五垫块12和第四垫块10，第二弹簧11安装有第五垫块12的一端固定在悬臂梁13上，另一端与第二探杆9相连接，第二探杆9垂直安装在位移计固定装置18的水平方向上，第二光纤光栅7、第一光纤光栅6、第三光纤光栅14和第四光纤光栅15依次采用光缆串接并经过壳体开口19引出，连接第一光纤光栅6和第三光纤光栅14的光缆穿过悬臂梁13；第一尾纤16与连接第四光纤光栅16的光缆连接，第二尾纤17与连接第二光纤光栅7的光缆连接。

本实施例所述第一尾纤16为不同波长的光载波信号发送端，与外接的复用器相连并发射红色和蓝色两种不同波长的光载波，其中红色光载波用于测量待测建筑物的水平位移，蓝色光载波用于测量待测建筑物的沉降；光载波经复用器汇合在一起并耦合到光纤路中同一根光纤中进行传输；第二尾纤17为光纤的接收端，与外接的分波器相连，第二尾纤17经分波器将各种波长的光载波进行分离，然后由外接的光接收机进一步处理恢复信号。

本实施例位移计安装前，由探杆9输入一个位移提前量，然后将读数归零，仪表读数归零后将位移计固定在位移计固定装置18上，完成位移计的安装工作，当外界有沉降位移量输入到位移计内部时，由第二探杆9压缩第二弹簧11继而导致悬臂梁13发生变形，变形后的悬臂梁13会引起粘贴在其正反两面的光纤光栅波长发生漂移，通过光纤光栅波长的变化反求位移的变化量；当外界有水平位移量输入到位移计内部时，经第一探杆1，压缩第一弹簧3进而导致等强度梁5发生变形，变形后的等强度梁5引起粘贴在其正反两面的光纤光栅波长发生漂移，通过波长的变化量反求位移的变化量。

Claims (3)

1.一种光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计，其特征在于主体结构第一探杆、第一垫块、第一弹簧、第二垫块、等强度梁、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三垫块、第二探杆、第四垫块、第二弹簧、第五垫块、悬臂梁、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第一尾纤、第二尾纤、位移计固定装置和壳体开口；第一垫块和第二垫块固定在与L形结构的位移计固定装置采用无摩擦滑动轨道相连的位移计壳体上，第一弹簧的两端分别固定安装有第一垫块和第二垫块，第一弹簧安装有第二垫块的一端固定在等强度梁上，另一端与第一探杆相连接，第一探杆和待测建筑物相连，等强度梁与第二垫块采用无摩擦滑动轨道相连，使等强度梁在竖直方向上产生位移，第一光纤光栅和第二光纤光栅采用军用胶J133分别对称粘贴在等强度梁的正面和反面，等强度梁粘贴有第二光纤光栅的一侧下端固定安装有第三垫块；位移计固定装置采用军用胶J133粘贴在待测建筑物上；悬臂梁采用军用胶J133水平固定在位移计壳体上，第三光纤光栅和第四光纤光栅采用军用胶J133分别对称粘贴在悬臂梁的正面和反面，第二弹簧的上下两端分别固定安装有第五垫块和第四垫块，第二弹簧安装有第五垫块的一端固定在悬臂梁上，另一端与第二探杆相连接，第二探杆垂直安装在位移计固定装置的水平方向上，第二光纤光栅、第一光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅依次采用光缆串接并经过壳体开口引出，连接第一光纤光栅和第三光纤光栅的光缆穿过悬臂梁；第一尾纤与连接第四光纤光栅的光缆连接，第二尾纤与连接第二光纤光栅的光缆连接。

2.根据权利要求1所述光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计，其特征在于所述第一尾纤为不同波长的光载波信号发送端，与复用器相连并发射红色和蓝色两种不同波长的光载波，其中红色光载波用于测量待测建筑物的水平位移，蓝色光载波用于测量待测建筑物的沉降；光载波经复用器汇合在一起并耦合到光纤路中同一根光纤中进行传输；第二尾纤为光纤的接收端，与分波器相连，第二尾纤经分波器将各种波长的光载波进行分离，然后由外接的光接收机进一步处理恢复信号。

3.根据权利要求1所述光纤光栅串接方式下的光纤光栅位移计，其特征在于工作时，外接产生的位移量经第二探杆和第二弹簧输入悬臂梁，输入的位移量使悬臂梁发生变形，悬臂梁的变形量引起粘贴在其正反两面的第三光纤光栅和第四光纤光栅发生形变并产生相应的应变值；然后检测两个光纤光栅感变形而发生的波长漂移并进行计算得到输入位移量，具体计算过程为：

(a)由于两个光纤光栅对称贴在悬臂梁的两侧能实现温度的自补偿，故两个光纤光栅的工作环境温度是相同的，那么光栅波长的漂移公式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=2(1-P)\mathrm{\ϵ}---\left(1\right)$

式中：Δλ_B1为悬臂梁正面光纤光栅中心波长的漂移量；Δλ_B2为悬臂梁反面光纤光栅中心波长的漂移量；λ_B1为悬臂梁正面光纤光栅内布拉格谐振波长；λ_B2为悬臂梁反面光纤光栅内布拉格谐振波长；P为有效弹光系数；ε为悬臂梁一点处的应变值；

(b)设悬臂梁固定端的宽度为b，梁长为l，梁高为h，梁的弹性模量为E，则梁自由端挠度δ和梁自由端所受力F之间的关系为：

$\mathrm{\δ}=\frac{6{\mathrm{Fl}}^3}{{\mathrm{Ebh}}^3}---\left(2\right)$

悬臂梁各点应变值ε和梁自由端所受力F之间的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6Fl}{{\mathrm{Ebh}}^2}---\left(3\right)$

将(3)式带入(2)式可得：

$\mathrm{\δ}=\frac{l^2}{h}\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

(c)如外界有位移量x经第二探杆输入位移计，则有如下关系式：

δ＝x (5)

由(4)和(5)可知：

$x=\frac{l^2}{h}\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

将公式(6)变形带入公式(1)可以得出位移与波长之间的关系，如下：

$x=\frac{l^2}{2h\left(1-p\right)}(\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B_1}}{{\mathrm{\λ}}_{B_1}}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B_2}}{{\mathrm{\λ}}_{B_2}})---\left(7\right).$