CN107167280A - 一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法，所述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。本发明通过传感器与测量介质直接接触，排除了空气的影响，解决了现有技术中初始测量值可靠性低的问题，而且使用等强度弹片在计算某一数值时，只需控制悬臂梁的强度一致，极大地提高了水压力测量的准确性和稳定性。

Description

一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法

技术领域

本发明涉及一种水位水压力测量方法，尤其是一种采用光纤光栅水压力传感器的测量方法。

背景技术

光纤光栅简称FBG，FBG传感器是20世纪90年代传感领域较好的发明创造，它是以FBG为核心器件而产生的传感器产品，而FBG又是一种光纤无源器件，具有可靠性好、测量精度高、能够进行实时监测、抗电磁干扰以及抗雷击等特点。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。

公开号为CN 201903426 U，名称为一种“光栅水压力传感器”，光栅直接附着于应边框上，在测量时，一定程度上提高了传感器的稳定性，但这种水压力传感器的测量方法存在两点不足，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。

公开号为CN 202757726 U，名称为“光栅水压力传感器”，采用了膜片配合应边框的方式，在测量时，虽在一定程度上提高了结构的稳定性，但在计算某一数值时，需要考虑测量介质强度，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。

公开号为CN 203595575 U公开了一种“微型动态渗透水压力传感器”，主要是将拉好的光纤光栅通过高频加热的方法将光栅直接固定在相对活动的结构件两端，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，轻微的剪力均可造成光栅断裂，从而造成传感器的损坏，影响了测量的可靠性。

采用现有水压力传感器的测量方法，来测量不同水位的水压力和孔隙水压力存在一定缺点，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光纤光栅传感器的测量方法。

具体测量方法的技术方案如下。

一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法，所述测量方法是通过一光纤光栅水压力传感器来实现的，具体测量不同水位的方法是按以下步骤进行的：

Ⅰ、用光纤光栅水压力传感器测量时，将缸盖拧开，水通过透水座内的透水石进入到位移活塞及其透水座的空腔内；

Ⅱ、水压力作用于位移活塞，位移活塞触碰光栅弹片内的弹片使其发生挠度变化，带动附着于弹片上的光栅发生波长变化；

Ⅲ、通过光栅及铠装光缆将光信号传输于解调仪，经过解调仪将信号进行解调，获得水位及孔隙水压力的变化规律；

Ⅳ、根据计算公式，压力P与水位高度h成线性关系，通过测量得到的水压力可以求出水位高度h，其中为被测量水体的密度；g为当地的重力加速度。

进一步的附加技术特征如下。

所述一光纤光栅水压力传感器是由所述透水缸体与所述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，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；在弹片光栅的侧面附着有光栅，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其橡胶套。

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。

上述所提供的一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法的技术方案，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：本发明通过传感器与测量介质直接接触，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是等强度弹片，所以在计算某一数值时，只需控制悬臂梁的强度一致，不需考虑悬臂梁的强度，这样会极大的提升测量的效率；移动活塞和复位弹簧实现了不间断地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光纤光栅传感器的测量方法，该测量方法是通过一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，该传感器包括透水缸体1及其光栅仓体2，嵌入该透水缸体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，位移活塞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相连接构成。

本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：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11内的透水石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通过悬臂传感杆6挤压光栅仓体2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）再通过光栅21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。

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

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光纤光栅传感器的测量方法，所述测量方法是通过一光纤光栅水压力传感器来实现的，具体测量不同水位的方法是按以下步骤进行的：

Ⅰ、用光纤光栅水压力传感器测量时，将缸盖（3）拧开，水通过透水座（11）内的透水石（12）进入到位移活塞及其透水座（11）的空腔内；

Ⅱ、水压力作用于位移活塞（5），位移活塞（5）触碰弹片光栅（8）内的弹片（20）使其发生挠度变化，带动附着于弹片（20）上的光栅（21）发生波长变化；

Ⅲ、通过光栅（21）及铠装光缆（15）将光信号传输于解调仪，经过解调仪将信号进行解调，获得水位及孔隙水压力的变化规律；

Ⅳ、根据计算公式z.jpg，压力P与水位高度h成线性关系，通过测量得到的水 压力可以求出水位高度h，其中为被测量水体的密度；g为当地的重力加速度。

2.如权利要求书1所述的测量方法，所述一光纤光栅水压力传感器是由所述透水缸体（1）与所述光栅仓体（2）垂直固定设置构成；

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（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）。

3.如权利要求书1所述的测量方法，所述复位弹簧（9）的弹力是随孔隙水压力变化而变化。

4.如权利要求书1所述的测量方法，所述悬臂传感杆（6）的刚度与所述弹片（20）的刚度一致。

5.如权利要求书1所述的测量方法，所述弹片（20）的刚度与所述弹片光栅（8）的刚度一致。

6.如权利要求书1所述的测量方法，所述透水缸体（1）与所述光栅仓体（2）是密封腔室。