CN107152952A - 一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器是由透水缸体与光栅仓体垂直固定设置构成；所述透水缸体一端连接固定有光栅仓体构成活塞腔室，另一端缸体外壳内设置有缸盖及其透水石；所述光栅仓体的内底端面固定有弹片及其弹片光栅触碰有悬臂传感杆尖端，并在弹片光栅侧面附着有光栅，光栅顶端通过导线连接有铠装光缆，将光信号传输给解调仪，获得水位及孔隙水压力。本发明通过位移活塞与复位弹簧以及光栅弹片，实现了对水位及孔隙水压力测量的不间断重复测量，有效的提高了水测量的准确性和稳定性。

Description

一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种水位测量及水压力测量传感器，尤其是一种用光纤光栅对水位及水压力进行测量的传感器。

背景技术

光纤光栅简称FBG，FBG传感器是20世纪90年代传感领域最好的发明，它是以FBG为核心器件而产生的传感器产品，而FBG是一种光纤无源器件，具有可靠性好、测量精度高、能够进行时时监测、抗电磁干扰、抗雷击等优点。因此目前在石油行业、矿业及建筑结构安全监测等领域，主要利用光纤光栅传感器替代老式的电信号传感器。在水压力的测量领域，光纤光栅传感器得到了广泛的应用。

在公开号为CN 201903426 U的“光栅水压力传感器”专利，光栅直接附着于应边框上，一定程度上提高了传感器的稳定性，但这种方法存在两点不足，其一，光栅直接附着于应边框上，但在测量时，并不能排除空气的空腔影响，从而导致初始测量值可靠性降低；其二，在实际操作中，膜片的强度和测量对象强度需要保证在合理范围内，这样才能得到可靠的应力-应变曲线，从而保证测量数据的可靠性。

在公开号为CN 202757726 U的“光栅水压力传感器”专利，采用了膜片配合应边框的方式，虽在一定程度上提高了结构的稳定性，但是在计算某一数值时，需要考虑测量介质的强度，同时要用控制变量的方法来精确计算，所以这种方法会使测量的准确性降低。

在公开号为CN 203595575 U的“微型动态渗透水压力传感器”专利，主要是将拉好的光纤光栅通过高频加热的方法把光栅直接固定在相对活动的结构件的两端，通过膜片的受力变化改变两相对活动件间的拉紧情况。由于是变形直接作用在光栅上，悬空的光栅非常脆弱，轻微的剪力都可以造成光栅的断裂，从而造成传感器的损坏，从而影响了测量的可靠性。

采用现有的方法来测量不同水位的水压力和孔隙水压力存在一定的缺点，因此寻求一种安全、高效的测量方法对水压力的测量具有重要的作用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，包括有透水缸体及光栅仓体；其特征在于：所述透水缸体与所述光栅仓体是垂直固定设置，且所述光栅仓体高于所述透水缸体；

所述透水缸体一端连接固定有光栅仓体构成活塞腔室，所述活塞腔室内置有位移活塞及其悬臂传感杆；所述悬臂传感杆的根部套设有复位弹簧、尖状前端头穿过光栅仓壁触碰有光栅仓体内设置的弹片及其弹片光栅；另一端缸体外壳内设有透水座，并嵌设有缸盖及其透水石；

所述光栅仓体是竖直设置，其内底端面中心位置固定有弹片及其弹片光栅，并在弹片的上端头触碰有悬臂传感杆的尖端；在光栅弹片的侧面附着有光栅，光栅顶端通过导线连接有铠装接头；其内顶端通过上塞由环氧树脂封口固定，并在上塞中央由环氧树脂通过卡环和铠装接头连接固定有铠装光缆及橡胶套。

在上述技术方案中，所述复位弹簧的弹力是随孔隙水压力变化而变化；所述悬臂传感杆的刚度与所述弹片的刚度一致；所述弹片的刚度与所述光栅弹片的刚度一致；所述透水缸体与所述光栅仓体是密封腔室。

在上述技术方案中，所述光纤光栅传感器的测量方法是水通过透水座及其透水石进入透水缸体的腔内，通过水压力作用于位移活塞，位移活塞移动并通过悬臂传感杆的尖状头触碰有光栅仓内的弹片及其弹片光栅，使其发生挠度变化，后通过光纤导线及铠装光缆将光信号传输给解调仪进行信号解调，获得水位及孔隙水压力。

本发明上述所提供的一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，与已有的水位及水压力测量装置相比，其优点与积极效果首先是本发明通过传感器与测量水介质直接接触，排除了空气的空腔影响，解决了现有技术中初始测量值可靠性低的问题；本发明光纤光栅水压力传感器中使用的弹片及其弹片光栅是等强度弹片，因此在计算某一数值时，只需控制悬臂梁的强度一致，就不用考虑悬臂梁的强度，这样会极大的提升测量的效率；移动活塞和复位弹簧可以实现不间断重复测量且测量误差也降低了很多。因此，本发明能非常有效的提高水压力测量的准确性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅水压力传感器的整体结构剖视图。

图2是本发明的光纤光栅水压力传感器的透水缸体结构剖视图。

图3是本发明的光纤光栅水压力传感器的光栅仓体结构剖视图。

图4是本发明的光纤光栅水压力传感器的弹片受力图。

图中：1：透水缸体；2：光栅仓体；3：缸盖；4：活塞腔室；5：位移活塞；6：悬臂传感杆；7：光栅仓壁；8：弹片光栅；9：复位弹簧；10：缸体外壳；11：透水座；12：透水石；13：上塞；14：导线；15：铠装光缆；16：环氧树脂；17：卡环；18：铠装接头；19：橡胶套；20：弹片；21：光栅。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方案做出进一步的说明。

实施本发明上述所提供的一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器包括透水缸体1及光栅仓体2；其中，透水缸体1与光栅仓体2是垂直设置固定，且光栅仓体高于透水缸体1。

实施透水缸体1时，透水缸体1的一端连接固定光栅仓体2构成活塞腔室4，该活塞腔室4的内腔设置有水力推动的位移活塞5及其位移活塞5上固定连接的悬臂传感杆杆6；该悬臂传感杆6的根部套设有复位弹簧9，悬臂传感杆6的尖状前端头穿过光栅仓壁7触碰有光栅仓体2内设置的弹片20及其弹片光栅8；另一端缸体外壳10内设有透水座11，并嵌设有缸盖3及其透水石12；

实施光栅仓体2时，光栅仓体2是在透水缸体1的端侧面竖直设置，光栅仓体2的内底端面中心位置固定有弹片20及其贴合的弹片光栅8，并在弹片20的上端头触碰有悬臂传感杆6的尖端；在弹片光栅8的侧面附着有光栅21，该光栅21顶端通过导线14连接有铠装光缆15；其内顶端通过上塞13由环氧树脂16封口固定，并在上塞13中央由环氧树脂16通过卡环 17和铠装接头18连接固定有铠装光缆15及其橡胶套19。

在上述光纤光栅传感器的具体实施方式中，该复位弹簧9的弹力是与随该孔隙水压力变化而变化的；该悬臂传感杆6的刚度与该弹片20的刚度设计为等同一致的刚度；该弹片20的刚度与所述弹片光栅8的刚度设计为等同一致的刚度，且三者相应，并校验核准；同时将该透水缸体1与该光栅仓体2设计为密封密闭腔室，才能使水位及孔隙水压力光纤光栅传感测量的更为准确可靠。

在上述光纤光栅传感器的具体实施方式中，该水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器的测量方法是水通过透水座11及其透水石12进入透水缸体1的腔内，通过水压力作用于位移活塞5，位移活塞5移动并通过悬臂传感杆6的尖状头触碰有光栅仓2内的弹片20及其弹片光栅8，使其发生挠度变化，后通过光纤导线14及铠装光缆15将光信号传输给解调仪进行信号解调，获得水位及孔隙水压力。

具体来讲是通过一种圆形结构的或者是方形结构的光纤光栅水压力传感器来实现的，该光纤光栅水压力传感器包括圆形透水缸体1及其光栅仓体2，嵌入该圆形透水缸体1前端的透水座11，嵌入该透水座11内部的透水石12，连接在光栅仓前端及缸体内壁上的位移活塞5，插入位移活塞5的复位弹簧9，移活塞5与光栅仓体2之间连接着等强度的弹片20，嵌入该光栅仓体2中的光栅21，插入该光栅仓体2的上塞13，插入该上塞13内的铠装光缆15，该光栅21通过光纤与铠装光缆15相连接，该水位测量及孔隙水压力测量传感器的测量方法的测量力学原理如下：

（1）由附图4受力分析知，弹片20横截面的正应力：其中，ε为弹片发生的应变；E为所用等强度弹片的弹性模量。

（2）弹片20横截面的弯矩为：，其中，F为对悬臂梁施加的力；L为力的作用点到弹片固定点的距离。由弹片的形状可知，其抗弯截面距为： W=bh²/6式中：W为抗弯截面距；h为弹片的厚度；b为弹片的宽度。

（3）故弹片20所受的正应力与应变之间的关系式为： 。弹片20的位移被光栅的波长变化记录下来，通过应力应变公式求得作用于弹片20的力的大小，这个力就是水压力的大小。

本光纤光栅传感器测量不同水位的方法是按以下步骤进行的。

（1）在测量水池、湖泊的水位时，将光纤光栅水压力传感器放入水中，水通过透水座内部的透水石进入到移动活塞和透水座的空腔内。

（2）水压力会作用于移动活塞，移动活塞挤压光栅仓内的等强度弹片，使其发生挠度变化，带动连接在等强度弹片的光栅发生波长变化。

（3）再通过光纤和铠装光缆将光信号传输出来，经过解调仪将信号解调出来，从而得到水压力的变化规律。

（4）根据计算公式。压力P与水位高度h成线性关系，所以通过测得的水压力可以间接得到水位高度h。

本光纤光栅传感器测量孔隙水压力的方法是按以下步骤进行的：

（1）用光纤光栅水压力传感器测量时，将圆形缸体缸盖3拧开，水通过透水座11内部的透水石12进入到位移活塞5和透水座的空腔内；

（2）水压力作用于位移活塞5，位移活塞5挤压光栅仓内的等强度弹片20，使其发生挠度变化，带动连接在等强度弹片20的光栅21发生波长变化；

（3）再通过光纤和铠装光缆15将光信号传输出来，经过解调仪将信号解调出来，从而得到水压力的变化规律。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方案做出进一步的说明。

实施例1

实施本发明上述所提供的一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器的技术方案，该光纤光栅传感器的圆形缸体外壳10和光栅仓壁7是采用316不锈钢材料，并进行封焊处理，这样可以防止测量时有渗水现象发生。

本实施方案中，圆形透水缸体1与缸盖3采用螺纹连接，缸盖3采用316不锈钢材料，透水石12是一种用砂质颗粒均匀胶结的多孔板，具有完全透水功能，透水石12是嵌入于透水座11中，透水座11与透水缸体外壳10是采用O型圈密封固定；位移活塞5是采用硅铝合金材料，复位弹簧9是采用70#碳素弹簧钢丝，复位弹簧7焊接到位移活塞5的触针端；将等强度弹片20焊接到光栅仓体的的內底端面中心位置，弹片20采用不锈钢材料；光栅21通过焊接固定在光栅仓体的底端面，等强度弹片20与光栅21通过螺母紧固；导线14的一端用胶粘在光栅21上，另一端穿过上塞13，在铠装光缆15的一端卡上卡环13上，然后在另一端套上铠装接头18，拉紧后用液压钳将铠装接头18和铠装光缆15压接在一起，铠装光缆15外壁用橡胶套19固定保护；上塞13采用防水橡胶塞，铠装接头18与上塞13用螺纹紧固；在上塞13和光栅仓体2之间的空腔内放入O型圈，压到底端，并用环氧树脂将空腔填满，具体实施步骤按下列步骤进行。

步骤一：光纤光栅水压力传感器的组装；

（1）将复位弹簧9套接在位移活塞5上，压入透水缸体1；

（2）将透水石12直接压入透水座11，并将透水座11与缸体外壳10固定；

（3）将等强度弹片20和光栅21固定在光栅仓2的底端；

（4）将铠装光缆15一端用卡环17固定，在铠装光缆15的另一端套上铠装接头18，将光纤连接到光栅21上，光纤尾端从上塞的小孔穿出来；

（5）用液压钳将铠装接头18与铠装光缆15压接在一起，再套上橡胶套19进行保护；

（6）将甩出的光纤穿入铠装光缆15，通过螺纹将压好的铠装接头18固定在上塞13上；

（7）上塞13与光栅仓体1之间形成了一个环形空腔，用环氧树脂16将其填满；

（8）将圆形缸体盖3通过螺纹连接到缸体外壳10前端。

步骤二：用光纤光栅水压力传感器测量水压力；

（1）、用光纤光栅水压力传感器测量时，将圆形缸体盖3拧开，水通过透水座11内部的透水石12进入到位移活塞5和透水座11的空腔内；

（2）、水压力会作用于位移活塞5，位移活塞5挤压弹片光栅8内的等强度弹片20，使其发生挠度变化，带动连接在等强度弹片20的光栅21发生波长变化；

（3）、再通过光纤和铠装光缆15将光信号传输出来，经过解调仪将信号解调出来，从而得到水压力的变化规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，包括有透水缸体及光栅仓体；其特征在于：所述透水缸体（1）与所述光栅仓体（2）是垂直固定设置，且所述光栅仓体（2）高于所述透水缸体（1）；

所述透水缸体（1）一端连接固定有光栅仓体（2）构成活塞腔室（4），所述活塞腔室（4）内置有位移活塞（5）及其悬臂传感杆杆（6）；所述悬臂传感杆（6）的根部套设有复位弹簧（9）、尖状前端头穿过光栅仓壁（7）触碰有光栅仓体（2）内设置的弹片（20）及其弹片光栅（8）；另一端缸体外壳（10）内设有透水座（11），并嵌设有缸盖（3）及其透水石（12）；

所述光栅仓体（2）是竖直设置，其内底端面中心位置固定有弹片（20）及其弹片光栅（8），并在弹片（20）的上端头触碰有悬臂传感杆（6）的尖端；在弹片光栅（8）的侧面附着有光栅（21），光栅（21）顶端通过导线（14）连接有铠装接头（18）；其内顶端通过上塞（13）由环氧树脂（16）封口固定，并在上塞（13）中央由环氧树脂（16）通过卡环 （17）和铠装接头（18）连接固定有铠装光缆（15）及其橡胶套（19）。

2.如权利要求书1所述的水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，所述复位弹簧（9）的弹力是随孔隙水压力变化而变化。

3.如权利要求书1所述的水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，所述悬臂传感杆（6）的刚度与所述弹片（20）的刚度一致。

4.如权利要求书1所述的水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，所述弹片（20）的刚度与所述弹片光栅（8）的刚度一致。

5.如权利要求书1所述的水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，所述透水缸体（1）与所述光栅仓体（2）是密封腔室。

6.如权利要求书1所述的水位及孔隙水压力测量的光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的测量方法是水通过透水座（11）及其透水石（12）进入透水缸体（1）的腔内，通过水压力作用于位移活塞（5），位移活塞（5）移动并通过悬臂传感杆（6）的尖状头触碰有光栅仓（2）内的弹片（20）及其弹片光栅（8），使其发生挠度变化，后通过光纤导线（14）及铠装光缆（15）将光信号传输给解调仪进行信号解调，获得水位及孔隙水压力。