CN106767689A - 一种楔形结构光纤光栅位错计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种楔形结构光纤光栅位错计，包括滑动头、矩形截面悬臂梁、光纤光栅、传动杆、限位板、弹簧、楔形块、保护外壳以及滑动传导臂。感应部分由滑动头、悬臂梁、光纤光栅、传动杆、弹簧、楔形块等构成。传导部分由固定杆和滑动杆构成。位错计监测机理是通过滑动头的滑动使悬臂梁自由端沿楔形块斜面滑动，从而将沉降差转换成悬臂梁自由端处的挠度，引起粘贴于靠近悬臂梁固定端的传感光纤光栅的布喇格反射波长产生变化，同时利用参考光栅法解决了光纤光栅交叉敏感问题。本发明的位错计，测量精度高且可调、环境适应性强、稳定性好、具有温度自补偿功能、抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

Description

一种楔形结构光纤光栅位错计

技术领域

本发明基于光纤光栅技术，是一种对地下管廊沉降缝两侧结构相对沉降量进行实时监测的传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

城市地下综合管廊是先于周边地块开发而规划建设的城市地下综合管廊网络，解决了周边地区开发和建成后运营中的能源需求问题。随着周边地块的开发利用，尤其是深大基坑开挖和大范围降地下承压水，会引起已建成的地下综合管廊发生沉降变形，若沉降缝两侧相对沉降量过大，可导致管廊内部各种工程管线的变形和开裂，影响电力、燃气、供热等正常供给，甚至发生重大安全事故。通过对地下管廊沉降缝两侧相对沉降量的实时监测，可对周围地块基坑开挖速度与降水速度进行指导，对超限部位提前预警，避免引起管廊内部管线破坏，预防事故发生。光纤光栅传感器因具有抗电磁干扰、耐腐蚀等特点，适用于地下复杂工程的长期健康监测。因此，用于长期实时监测地下管廊沉降缝两侧相对沉降状态的光纤光栅位错计有很好的工程应用前景。

发明内容

本发明涉及一种满足地下管廊长期实时监测要求，结构简单，性能稳定、可靠、灵敏度高、抗电磁干扰，可用于监测地下管廊沉降缝两侧结构相对沉降状态的光纤光栅位错计。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种楔形结构光纤光栅位错计，包括由滑动头、悬臂梁、传感光纤光栅、补偿光纤光栅、传动杆、限位板、螺栓、楔形块、弹簧、保护外壳与固定片；

保护外壳为矩形盒式，侧壁上设有用于滑动头伸出的狭长活动缝，保护外壳内与活动缝对应的一侧固定楔形块；

滑动头末端为U型板结构，该U型板卡到楔形块上；在U型板上通过螺栓固接有两个悬臂梁；两个悬臂梁的活动端通过传动杆连接在一起；将楔形块斜面深入滑动头凹槽内，使得传动杆与楔形块的斜面相接触；限位板对称固定于滑动头伸出活动缝部分，用来防止活动头水平运动；

保护外壳端面上固接有弹簧，弹簧另一端呈自由状态与滑动头抵接；

在滑动头的U型板上设有补偿光纤光栅，在悬臂梁上设有传感光纤光栅；将滑动头上开圆孔，用于传感光纤光栅和补偿光纤光栅的尾纤通过圆孔穿出，在尾纤套上光纤松套管。

本发明具有的优点是：

1.可对关键部位进行自动实时监测。

将位错计与解调设备连接，可实现施工与运营维护全阶段自动实时监测，结合监测系统可做到超限自动提示预警。

2.良好的环境适应能力。

本发明采用光纤布拉格光栅作为传感元件，其具有抗电磁干扰、耐腐蚀、抗老化的特点，将其安置于地下管廊中可以抵抗管廊中通电线路造成的电磁扰动，监测结果真实可靠。同时，采用光纤远距离信号传输，便于监测信号的传递。

3.测量精度可以调节。

通过改变楔形块的倾斜面角度，传感器波长的变化与相对位移的比值发生改变，此外，改变悬臂梁长度与厚度也可以实现上述改变。因此可以灵活地调节传感器测量精度。

4.适用范围广。

通过对传导部分进行改造，以及改变感应部分与传导部分的连接形式，可以制作出适应于各类结构与环境的相对沉降量监测传感器。

本发明的相对沉降量传感器结构简单，测量精度高且可调，稳定性好，同时具有温度自补偿功能，响应速度快，抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的内部结构正视图。

图2是本发明的内部结构立体图。

图3是本发明的内部结构后视图。

图4是本发明的滑动头细节图。

图5是本发明的应变感应基片细节图。

图6是本发明的外部三维示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制。

图1-6所示。一种楔形结构光纤光栅位错计，包括由滑动头1、悬臂梁2、传感光纤光栅3、补偿光纤光栅4、传动杆5、限位板6、螺栓7、楔形块9、弹簧8、保护外壳10与固定片11；

保护外壳10为矩形盒式，侧壁上设有用于滑动头1伸出的狭长活动缝，保护外壳10内与活动缝对应的一侧固定楔形块8；

滑动头1末端为U型板结构，该U型板卡到楔形块8上；在U型板上通过螺栓固接有两个悬臂梁2；两个悬臂梁2的活动端通过传动杆5连接在一起；将楔形块8斜面深入滑动头1凹槽内，使得传动杆5与楔形块9的斜面相接触；限位板6对称固定于滑动头1伸出活动缝部分，用来防止活动头水平运动；

保护外壳10端面上固接有弹簧9，弹簧9另一端呈自由状态与滑动头1抵接；

在滑动头1的U型板上设有补偿光纤光栅4，在悬臂梁2上设有传感光纤光栅3；将滑动头1上开圆孔，用于传感光纤光栅3和补偿光纤光栅4的尾纤通过圆孔穿出，在尾纤套上光纤松套管。

所述传感光纤光栅3为Bragg光栅。

采用楔形块9将沉降位移差转换成悬臂梁2自由端的挠度。

楔形块9将待测沉降位移差转换成悬臂梁2自由端的挠度，通过传感光纤光栅3对悬臂梁2临近固定端处弯曲应变进行测量，并采用参考光栅法解决了光纤光栅交叉敏感问题。

本发明的一种监测地下管廊沉降缝两侧相对沉降量的楔形结构光纤光栅位错计的工作原理如下：

楔形块倾斜的角度为α，则滑动传导臂相对位移Δx与悬臂梁端部挠度y的关系为：

Δx＝y·tanα (1)

对于悬臂梁有：

σ_max＝E·ε (4)

其中σ_max是悬臂梁上光纤光栅粘贴处中间部位的最大应力，F为悬臂梁端部与楔形块接触处垂直于锰钢梁方向的合力，y为在F作用下悬臂梁端部的挠度，l为锰钢悬臂梁的有效工作长度，b为悬臂梁的截面宽度，h为悬臂梁的厚度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩，ε为悬臂梁表面粘贴光纤光栅处的应变。

由(1)-(4)可以得到：

若不考虑温度导致中心波长的改变量，悬臂梁表面封装的光纤光栅工作原理表达式如下：

式中，Δλ_B为相对于起始位置的中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数

由(5)和(6)可以得出：

令则有：

Δx＝K·Δλ_B (8)

式中，K为位错计的灵敏度系数。

式(8)即为一种楔形结构光纤光栅位错计的光—位移方程。由此式可看出相对沉降量Δx与相对于初始位置光纤光栅中心波长改变量Δλ_B之间成线性关系，当温度恒定，通过监测中心波长改变量Δλ_B从而获得相对沉降量Δx的结果，如果温度改变，公式(8)中的Δλ_B需要消除不受力温度补偿光纤光栅波段的变化。

本发明的一种基于光纤光栅技术的实时监测地下管廊相对沉降量的位错计在具体封装时：

把悬臂梁一面用酒精清洗并擦拭干净，平放在封装台上，然后将传感光纤光栅两端固定，并施加一定的预应力，用光纤光栅精密调整架调整光纤光栅的位置使其平行放置于靠近悬臂梁固定端一侧的表面。滴取少量氰基丙烯酸乙酯于栅区处，当栅区固定后再在栅区表面涂抹少量环氧树脂，待环氧树脂固化后即完成了应变感应基片光纤光栅的封装。同理，采用相同的方法将补偿光纤光栅固定于滑动头的一侧。尾纤表面涂抹少量704胶后，用光纤松套管进行保护。

传感部分的矩形保护器壳体采用铝合金板制成，并采用螺杆进行拼装，滑动头伸出侧设置狭长活动缝。保护外壳内与开活动缝对应的一侧采用螺栓固定楔形块。滑动头与悬臂梁和限位板间均采用螺栓连接。两个悬臂梁的两个活动端通过焊接传动杆连接在一起。楔形块斜面深入滑动头凹槽内，使得传动杆于楔形块斜面相接触，滑动头上下运动时楔形块可以顶起传动杆，从而带动悬臂梁自由端产生挠度。弹簧一端采用环形卡片固定于保护外壳内侧，另一端自由状态，用以保证滑动头的初始位置。在与活动缝相接的滑动头钢板上开洞，用以引出传感光纤光栅和补偿光纤光栅的尾纤。感应部分与传导部分均采用螺栓将固定片固定于墙体。通过螺栓将滑动头与凹型管连接进而使感应部分与传导部分相连接。封装完成后，用光纤松套管保护尾纤。

Claims (5)

1.一种楔形结构光纤光栅位错计，包括由滑动头(1)、悬臂梁(2)、传感光纤光栅(3)、补偿光纤光栅(4)、传动杆(5)、限位板(6)、螺栓(7)、楔形块(9)、弹簧(8)、保护外壳(10)与固定片(11)；

保护外壳(10)为矩形盒式，侧壁上设有用于滑动头(1)伸出的狭长活动缝，保护外壳(10)内与活动缝对应的一侧固定楔形块(8)；

滑动头(1)末端为U型板结构，该U型板卡到楔形块(8)上；在U型板上通过螺栓固接有两个悬臂梁(2)；两个悬臂梁(2)的活动端通过传动杆(5)连接在一起；将楔形块(8)斜面深入滑动头(1)凹槽内，使得传动杆(5)与楔形块(9)的斜面相接触；限位板(6)对称固定于滑动头(1)伸出活动缝部分，用来防止活动头水平运动；

保护外壳(10)端面上固接有弹簧(9)，弹簧(9)另一端呈自由状态与滑动头(1)抵接；

在滑动头(1)的U型板上设有补偿光纤光栅(4)，在悬臂梁(2)上设有传感光纤光栅(3)；将滑动头(1)上开圆孔，用于传感光纤光栅(3)和补偿光纤光栅(4)的尾纤通过圆孔穿出，在尾纤套上光纤松套管。

2.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

所述传感光纤光栅(3)为Bragg光栅。

3.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

采用楔形块(9)将沉降位移差转换成悬臂梁(2)自由端的挠度。

4.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

楔形块(9)将待测沉降位移差转换成悬臂梁(2)自由端的挠度，通过传感光纤光栅(3)对悬臂梁(2)临近固定端处弯曲应变进行测量，并采用参考光栅法解决了光纤光栅交叉敏感问题。

5.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

工作原理如下：

楔形块倾斜的角度为α，则滑动传导臂相对位移Δx与悬臂梁端部挠度y的关系为：

Δx＝y·tanα (1)

对于悬臂梁有：

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{M_x}{W_z}=\frac{6Fl}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(2\right)$

$y=\frac{{\mathrm{Fl}}^3}{3EI}---\left(3\right)$

σ_max＝E·ε (4)

其中σ_max是悬臂梁上光纤光栅粘贴处中间部位的最大应力，F为悬臂梁端部与楔形块接触处垂直于锰钢梁方向的合力，y为在F作用下悬臂梁端部的挠度，l为锰钢悬臂梁的有效工作长度，b为悬臂梁的截面宽度，h为悬臂梁的厚度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩，ε为悬臂梁表面粘贴光纤光栅处的应变；

由(1)-(4)可以得到：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3h\mathrm{\Δ}x}{2l^2\tan \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

若不考虑温度导致中心波长的改变量，悬臂梁表面封装的光纤光栅工作原理表达式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{k_{\mathrm{\ϵ}}}=\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

式中，Δλ_B为相对于起始位置的中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数

由(5)和(6)可以得出：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{2l^{2}tan\mathrm{\α}}{3{\mathrm{hk}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_B---\left(7\right)$

令则有：

Δx＝K·Δλ_B (8)

式中，K为位错计的灵敏度系数；

式(8)即为一种楔形结构光纤光栅位错计的光—位移方程；由此式可看出相对沉降量Δx与相对于初始位置光纤光栅中心波长改变量Δλ_B之间成线性关系，当温度恒定，通过监测中心波长改变量Δλ_B从而获得相对沉降量Δx的结果，如果温度改变，公式(8)中的Δλ_B需要消除不受力温度补偿光纤光栅波段的变化。