CN107014299B - 路用光纤光栅层间相对水平位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器。本发明可实现对路面结构内部层间相对水平位移的测试。顶盖埋入上层结构底部；中心柱连接顶盖与等强度梁，使两者共同运动；底板埋入下层结构顶部，监测两层结构相互位移情况；固定环用于固定顶盖与底板，使两者仅能产生切向的位移，不会相互分开；硅胶垫放置于固定环与底板之间，限制底板与顶盖的旋转，并实现两者间产生位移后的回弹；固定板用于固定硅胶垫等结构，使其位于底板内部；等强度梁将传感器产生的水平滑移转化为竖向位移；滑槽设置于底板内部，上面覆盖有玻璃盖板以增加其抗划能力；光纤光栅由专用结构胶粘贴在等强度梁上，可以将等强的梁的变形转化为光纤光栅的波长改变。

Description

路用光纤光栅层间相对水平位移传感器

技术领域

本发明涉及一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器，属于位移传感器技术领域。

背景技术

掌握真实的路面结构内部力学响应情况是极为重要的，随着光纤传感技术的发展，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围广、便于复用成网等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域获得了广泛应用。当光纤光栅所受的外力发生变化时，光纤光栅自身的应变分布随之变化，从而引起光纤光栅中心波长的变化；通过光纤光栅解调设备，可以将中心波长的变化转换为光功率的变化，通过检测光功率的变化，可以实现对位移的检测。

在一些长纵坡、公交路口路段特别在夏季高温条件和重载车辆的作用下，路面结构常常产生层间位移的病害，严重时可达5、6厘米，这无疑严重的影响了道路的使用寿命。然而，现有的光纤光栅位移传感器往往只能实现单一方向的位移测量，随着传感器被埋入结构内部，其测量方向也随之固定，且在周围路面材料的包裹下难以活动，导致无法进行测量。因此，研制一种可测量路面结构内部层间相对水平位移量的传感器，是该领域技术人员亟需解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器，包括：顶盖、中心柱、底板、固定环、硅胶垫、固定板、等强度梁、光纤光栅和玻璃片，所述底板的下部设有固定板槽，固定板设置在底板下部的固定板槽内，底板的上部设有滑槽，滑槽内设有玻璃片，硅胶垫设置在底板下部的固定板上，固定环设置在硅胶垫内的固定板上，顶盖设置在底板的顶部，底板上设有等强度梁，光纤光栅固定在等强度梁上，中心柱的上端与顶盖相连接，中心柱的下端与固定环相连接。所述的光纤光栅由胶水粘贴在等强度梁上，所述的光纤光栅为四根，分别粘贴在等强度梁的四个方向上。

本发明的有益效果：

1、传感器所测位移值为层间位移值，满足了道路工程领域对层间位移监测的需求。

2、本发明所提供的光纤光栅层间相对水平位移传感器，共设置有四个方向的光纤光栅，其互相间可以用于进行温度补偿，实际测量时根据补偿光纤光栅的波长值消除由于温度变化引起的传感器波长漂移，提高了测量精度。

3、除了可以测量位移值的大小外，还可以精确的测量层间位移发生的方向。

4、可串联多个传感器进行准分布式测量，测点可任意分配。

5、由于传感器对测试方向没有要求，便于现场施工。

6、抗电磁干扰性能好，一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响

7、点绝缘性能好、适用范围广，安全可靠，光线本身是有电解质构成的，而且无需电源驱动。

8、可远距离监测；光纤传输损耗小，可实现远距离遥控监测。

附图说明

图1为本发明路用光纤光栅层间相对水平位移传感器的结构分解示意图。

图2为本发明路用光纤光栅层间相对水平位移传感器的结构剖面示意图。

图中的附图标记，1为顶盖，2为中心柱，3为底板，4为固定环，5为硅胶垫，6为固定板，7为等强度梁，8为滑槽，9为光纤光栅，10为玻璃片，11为固定板槽，12为孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器，包括：顶盖1、中心柱2、底板3、固定环4、硅胶垫5、固定板6、等强度梁7、光纤光栅9和玻璃片10，所述底板3的下部设有固定板槽11，固定板6设置在底板3下部的固定板槽11内，底板3的上部设有滑槽8，滑槽8内设有玻璃片10，硅胶垫5设置在底板3下部的固定板6上，固定环4设置在硅胶垫5内的固定板6上，顶盖1设置在底板3的顶部，底板3上设有等强度梁7，光纤光栅9固定在等强度梁7上，中心柱2的上端与顶盖1相连接，中心柱2的下端与固定环4相连接。

所述顶盖1为中间带孔12的长方体，孔12的大小与中心柱2顶端的尺寸相符，从而使两者可以连接紧密。顶盖1的尺寸可根据现场实测需求进行调整，例如针对一些层间滑移病害严重的路段，可选用较大尺寸的顶盖，以满足大量程测试的需求，反之亦然。此外，顶盖的材料也可根据所测结构的模量，内部应力水平等因素而选择，例如当传感器埋设较浅，车辆荷载较大而导致传感器所在处的应力较大时，可选用高模量、大厚度的顶盖进行封装，反之亦然。如若考虑协调变形的影响，则根据不同的路面结构类型，可选用不同模量的顶盖材料进行传感器的制作，以确保测试数据的有效性。

中心柱2为中间带有四个方向小孔的立方体，其中上半部分与顶盖1相连，下半部分与固定环4相连，以保持顶盖与底板的相互位置，并使其在水平方向可以自由活动。固定环与中心柱之间夹持有等强度梁，在传感器制作完成后，等强度梁7、中心柱2、顶盖1、固定环4四者间为固定不可活动的结构，即顶盖与底板产生相对位移后，顶盖会连带中心柱及等强度梁在底板上的滑槽进行滑动。此外，中心柱中间部分设有四个方向的弧形圆孔，可以将粘贴在等强度梁上的四根光纤光栅从圆孔导出，圆孔的直径可根据光纤的尺寸进行设计。

所述的光纤光栅9由胶水粘贴在等强度梁7上，所述的光纤光栅9为四根，分别粘贴在等强度梁7的四个方向上。用以将顶盖与底板间的相对位移转化为等强度梁的波长改变，继而计算出所测方向实际发生的位移大小，将四个方向的位移量进行矢量叠加，即可得到位移的方向和最终的总位移大小。

底板为方形结构，底部设有圆孔，圆孔直径小于固定环的直径，以免固定环从圆孔中脱出使顶盖与底板发生分离。底板中间设有滑槽，可供等强度梁在其上进行滑动，根据等强度梁的材料不同，滑槽可选用不同硬度的材料，或在滑槽表面粘贴一层硬质材料，本实施例中由于等强度梁硬度较高，而选择在滑槽表面粘贴了薄玻璃片，以免等强度梁的尖端划伤滑槽，同时也可以减小两者间的摩擦阻力。需要注意的是，在滑槽上粘贴玻璃片的目的是减小等强度梁与滑槽间的摩擦力，这也可以通过其他方式来实现，例如对等强度梁顶端进行光滑处理或采用其他材料，其本质与本实例并无显著差别。

等强度梁共有四个方向，中间设有方形孔以便与中心柱及固定环固定，并且使三者间不会发生旋转。本实施例中的等强度梁截面形式为矩形，厚度不变，梁的宽度线性增大。考虑到耐久性的需求，等强度梁的材质通常应选用韧性较好的材质，本实施例中采用的是弹簧钢，在实施过程中，也可以选用其他材料。应当指出的是，采用等强度梁的最终目的是使悬臂梁上各点的应变相等，而本实施例中的等腰三角形梁只是等强度梁的一种形式，对于本领域的研究人员而言，也可以设计出其他形式的等强度梁，这与本实例并无本质差别。

固定环为圆盘结构，中间设有方孔，可以与中心柱底部相连，以固定等强度梁。其直径应大于底板上圆孔的直径，同时与底板底部边缘的距离应大于传感器的量程。硅胶垫位于固定环与底板之间，目的是限制底板与顶盖之间的旋转，同时在位移产生后可以使传感器回复原位。需要指出的是，硅胶垫也可由其他结构进行替代，例如其他材质的软垫，甚至是沿径向分布的若干弹簧，都可以实现类似的效果，其本质与本实施例并无显著差别。

在具体的实施过程中，可首先打磨等强度梁，由于定制的等强度梁边角不够光滑，导致其在滑槽上滑动时十分困难，因此需要对等强度梁的边角进行初步打磨，以减小其滑动时的阻力。

之后在滑槽上粘贴玻璃片。由于等强度梁使用弹簧钢制作，其硬度明显高于滑槽，而由于传感器的工作原理，等强度梁需要长期反复在滑槽上滑动，因此需要在滑槽上粘贴硬度更高的材料来避免滑槽在长期滑动摩擦下产生划痕，从而造成传感器测试结果的失真。此处选用的材料为玻璃片10，玻璃片10的厚度为0.02mm，利用玻璃刀将其切割成制定尺寸，再粘贴在滑槽上。

待结构胶固化后，可将光纤光栅从中心柱穿出，并粘贴在等强度梁上。粘贴时要注意粘贴厚度应保持均匀，避免对原有等强度梁造成过大的结构改变。同时要注意尽量避免光纤光栅处的封装胶出现气泡，否则易造成传感器的多峰现象。

在光纤光栅封装完成后，可将顶盖与底板组装在一起，在下方利用固定环使两部分结合，从而限制顶盖与底板间只能做横向运动；之后再底板与固定环之间加装硅胶环，这一方面可以防止顶盖与底板之间的旋转，一方面可以帮助传感器在产生位移后自行到中心位置。

最后，对裸光纤进行封装，以提高其在恶劣情况下的耐久性，同时利用光纤熔接机连接光纤接头，以便于传感器与解调仪的连接。对传感器进行初步标定，针对本实例而言，标定结果显示传感器的线性回归系数达到0.9889，线性度良好。

本发明的基本原理为：顶盖与底板分别位于上层结构底部与下层结构顶部，一旦路面结构层间发生了位移，会造成传感器顶盖与底板间的相对滑动，使固定在顶板上的等强度梁在底板上的滑槽上滑动，继而强度梁产生变形，通过粘贴在等强度梁上光纤光栅的波长改变量，可以计算出等强度梁的端部挠度，再通过几何关系即可得到路面结构沿某一方向的位移量。该传感器内共有4个相互垂直的等强度梁，可以测量四个方向的层间位移量，分别计算出各个方向上的位移后将其进行矢量叠加，就可以确切的测得层间相对位移的大小和方向。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种路用光纤光栅层间相对水平位移传感器，包括：顶盖(1)、中心柱(2)、底板(3)、固定环(4)、硅胶垫(5)、固定板(6)、等强度梁(7)、光纤光栅(9)和玻璃片(10)，其特征在于，所述底板(3)的下部设有固定板槽(11)，固定板(6)设置在底板(3)下部的固定板槽(11)内，底板(3)的上部设有滑槽(8)，滑槽(8)内设有玻璃片(10)，硅胶垫(5)设置在底板(3)下部的固定板(6)上，固定环(4)设置在硅胶垫(5)内的固定板(6)上，顶盖(1)设置在底板(3)的顶部，底板(3)上设有等强度梁(7)，光纤光栅(9)固定在等强度梁(7)上，中心柱(2)的上端与顶盖(1)相连接，中心柱(2)的下端与固定环(4)相连接；

所述顶盖(1)为中间带孔(12)的长方体，孔(12)的大小与中心柱(2)顶端的尺寸相符；

所述的光纤光栅(9)由胶水粘贴在等强度梁(7)上；

所述的光纤光栅(9)为四根，分别粘贴在等强度梁(7)的四个方向上；

所述中心柱(2)为中间带有四个方向小孔的立方体，其中上半部分与顶盖(1)相连，下半部分与固定环(4)相连，以保持顶盖与底板的相互位置，并使其在水平方向可以自由活动，固定环与中心柱之间夹持有等强度梁，在传感器制作完成后，等强度梁(7)、中心柱(2)、顶盖(1)、固定环(4)四者间为固定不可活动的结构，即顶盖与底板产生相对位移后，顶盖会连带中心柱及等强度梁在底板上的滑槽进行滑动；

顶盖与底板分别位于上层结构底部与下层结构顶部，一旦路面结构层间发生了位移，会造成传感器顶盖与底板间的相对滑动，使固定在顶板上的等强度梁在底板上的滑槽上滑动，继而等强度梁产生变形，通过粘贴在等强度梁上光纤光栅的波长改变量，可以计算出等强度梁的端部挠度，再通过几何关系即可得到路面结构沿某一方向的位移量；该传感器内共有四个相互垂直的等强度梁，可以测量四个方向的层间位移量，分别计算出各个方向上的位移后将其进行矢量叠加，就可以确切的测得层间相对位移的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的路用光纤光栅层间相对水平位移传感器，其特征在于，所述玻璃片(10)的厚度为0.02mm。