CN108489405B - 光纤光栅式传感器和光纤光栅式传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及边坡滑移监测领域，公开了一种光纤光栅式传感器和光纤光栅式传感系统，该光纤光栅式传感器包括壳体(1)、第一光纤(11)、第二光纤(12)和设置在所述壳体(1)中的多个连接杆(2)，所述壳体(1)为长条状以使铰接连接的多个所述连接杆(2)能够在所述壳体(1)中沿同一方向延伸，且所述壳体(1)能够发生形变，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)上均设置有光纤光栅(3)，其中，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)分别设置在所述连接杆(2)的相对两侧，以使当所述连接杆(2)之间发生相对旋转时一者被拉伸而另一者被压缩。本申请提供的传感器具有较高的灵敏度，且能避免环境温度对测量结果的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及边坡滑移监测，具体地涉及一种光纤光栅式传感器和光纤光栅式传感系统。
背景技术
公路、铁路沿线的高陡边坡可能会发生边坡滑塌等事件，对人们的安全和交通运输安全造成威胁，因此，对高陡边坡的深部滑移或形变监测十分重要。目前典型的边坡深部滑移监测用传感器有电容式或涡流式位移传感器。通过电传感器测得滑移量并将滑移量转换为电信号输入分析设备进行计算，最后得出深部滑移量。但是，电子类传感器存在密封性差、易漏电、易腐蚀、受电磁干扰、易受雷击等问题，在实际工程应用中存在很多问题。
光纤传感器采用光信号进行传感和传输，不存在上述电子类传感器的问题，近年来越来越多利用到边坡深部滑移监测的用途中。中国专利(公开号CN102288162)公开了一种光纤光栅式传感器，采用悬臂梁结构，这种传感器首先需用较大的质量块和较小的悬臂梁才能或者较高的灵敏度，从而限制了传感器的尺寸，不便于安装，同时较大的质量块和较小的悬臂梁导致了悬臂梁较大的挠度，最终导致传感器的输出为非线性，无法保证灵敏度。
因此，需要一种结构紧凑且灵敏度高的传感器。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的灵敏度不高的问题，提供一种光纤光栅式传感器。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种光纤光栅式传感器，该光纤光栅式传感器包括壳体、第一光纤、第二光纤和设置在所述壳体中的多个连接杆，所述壳体为长条状以使铰接连接的多个所述连接杆能够在所述壳体中沿同一方向延伸，且所述壳体能够发生形变，所述第一光纤和所述第二光纤上均设置有光纤光栅，其中，所述第一光纤和所述第二光纤分别设置在所述连接杆的相对两侧，以使当所述连接杆之间发生相对旋转时所述第一光纤和所述第二光纤中的一者被拉伸而另一者被压缩，所述第一光纤的至少一端和所述第二光纤的至少一端穿出所述壳体。
优选地，同一根所述第一光纤和所述第二光纤至少连接相邻的两个所述连接杆，所述光纤光栅设置在所述第一光纤和所述第二光纤位于相邻的两个所述连接杆之间的部分上。
优选地，相邻的所述连接杆之间设置有安装片，所述第一光纤和所述第二光纤设置在所述安装片上以使所述光纤光栅整体安装在所述安装片上。
优选地，所述安装片的安装有所述光纤光栅的部分的刚度小于所述安装片其他部分的刚度。
优选地，所述安装片包括两个端部和位于两个所述端部之间的中间部，所述端部的宽度大于所述中间部的宽度，所述光纤光栅位于所述中间部。
优选地，多个所述连接杆的中心线共线
优选地，所述壳体的内部设置有沿所述壳体的轴向延伸的凹槽，所述连接杆上设置有导轮，所述连接杆通过所述导轮定位在所述凹槽中。
优选地，同一根所述第一光纤和所述第二光纤上设置有多个中心波长均不相同所述光纤光栅。
优选地，所述光纤光栅均匀地设置在相邻的两个所述连接杆之间。
本发明第二方面提供一种光纤光栅式传感系统，该系统包括如上所述的光纤光栅式传感器和解调仪，所述第一光纤和所述第二光纤分别连接所述解调仪。
通过上述技术方案，将本申请提供的光纤光栅式传感器埋在需监测的边坡中，当边坡发生滑移时传感器的壳体会发生形变，从而使得壳体内部的某两个相邻的连接杆之间发生相对旋转，从而使得第一光纤和所述第二光纤中的一者被拉伸而另一者被压缩，进而使得第一光纤和第二光纤上的光纤光栅发生相应的伸长形变以及压缩形变，导致光纤光栅反射光谱上的中心波长发生变化，利用连接第一光纤和第二光纤的解调仪测量出光纤光栅反射光谱上的中心波长，即可推算出边坡的倾斜度和滑移量。
附图说明
图1是根据本发明优选实施方式的光纤光栅式传感器的两个相邻的连接杆的装配关系的示意图。
图2是根据本发明优选实施方式的光纤光栅式传感器安装片的示意图；
图3是根据本发明优选实施方式的光纤光栅式传感器的示意图。
附图标记说明
1-壳体 2-连接杆 3-光纤光栅 4-安装片 5-导轮 6-转轴 7-螺栓8-螺栓孔 11-第一光纤 12-第二光纤 41-端部 42-中间部
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本申请提供一种光纤光栅式传感器，该光纤光栅式传感器包括壳体1、第一光纤11、第二光纤12和设置在所述壳体1中的多个连接杆2，所述壳体1为长条状以使铰接连接的多个所述连接杆2能够在所述壳体1中沿同一方向延伸，且所述壳体1能够发生形变，所述第一光纤11和所述第二光纤12上均设置有光纤光栅3，其中，所述第一光纤11和所述第二光纤12分别设置在所述连接杆2的相对两侧，以使当所述连接杆2之间发生相对旋转时所述第一光纤11和所述第二光纤12中的一者被拉伸而另一者被压缩，所述第一光纤11的至少一端和所述第二光纤12的至少一端穿出所述壳体1。
如图1所示，将本申请提供的光纤光栅式传感器埋在需监测的边坡中，当边坡发生滑移时传感器的壳体1会发生形变，从而使得壳体内部的某两个相邻的连接杆2之间发生相对旋转，从而使得第一光纤11和所述第二光纤12中的一者被拉伸而另一者被压缩，进而使得第一光纤11和第二光纤12上的光纤光栅3发生相应的伸长形变以及压缩形变，导致光纤光栅反射光谱上的中心波长发生变化，利用连接第一光纤11和第二光纤12的解调仪测量出光纤光栅反射光谱上的中心波长，即可推算出边坡的倾斜度和滑移量。
光纤上的光纤光栅发生形变时在解调仪上反映的中心波长会受温度变化的影响，从而造成测量结果不准确的问题，在本申请中由于第一光纤11和第二光纤12所受到的环境温度影响相同，根据第一光纤11上的光纤光栅3和第二光纤12上的光纤光栅3分别在解调仪上反映出的中心波长进行差值算法，就能够得到去除温度条件干扰的实际的边坡的倾斜度和滑移量。
其中，壳体1的材料可以选择ABS塑料、PVC以及铝合金等。
需要说明的是，将本申请提供的光纤光栅式传感器埋在需监测的边坡中，当边坡发生滑移时，长条状的壳体1的某个位置会发生弯折，而壳体1其他部分的形状保持原状，因此壳体1发生的形变仅仅会反映在某两个相邻的连接杆2之间，而这两个连接杆2中的每一个和其另一侧所连接的其他连接杆2仍然保持在同一直线上。
优选地，同一根所述第一光纤11和所述第二光纤12至少连接相邻的两个所述连接杆2，所述光纤光栅设置在所述第一光纤11和所述第二光纤12位于相邻的两个所述连接杆2之间的部分上。
如图1所示，两个相邻的连接杆2之间设置有第一光纤11和第二光纤12，第一光纤11和第二光纤12可以通过粘结剂粘在两个连接杆2之间的铰接位置处，使得第一光纤11和第二光纤12上的光纤光栅3位于相邻的两个连接杆2之间的部分，而第一光纤11和第二光纤12的一端直接穿出壳体1与外界的解调器连接。当图1中的两个连接杆2之间发生旋转时，第一光纤11和第二光纤12上的光纤光栅3就会发生形变。其中，所述光纤光栅3均匀地设置在相邻的两个所述连接杆2之间，即光纤光栅3的两端距铰点的距离相等。
其中，本申请可在每两个相邻的连接杆2之间均设置一根第一光纤11和一根第二光纤12，这样不论壳体1中哪两个相邻的连接杆2之间发生相对旋转，设置在这两个相邻的连接杆2之间的第一光纤11和第二光纤12上的光纤光栅3就会发生形变，这样就能够直观地判断哪两个相邻的连接杆2之间发生了相对旋转。由于长条状的壳体1是沿竖直方向埋在边坡中的，每个连接杆2所在的高度均不相同，能够判断出哪两个连接杆2之间发生相对旋转，就能够判断出边坡发生滑移的具体高度位置。
如果壳体1中安装的连接杆2的数量较多，那么就需要足够多的第一光纤11和第二光纤12，会带来成本较高的问题。在本申请中，同一根所述第一光纤11和所述第二光纤12上设置有多个中心波长均不相同所述光纤光栅3，将一根第一光纤11和一根第二光纤12上的多个光纤光栅3分别利用粘结剂粘在每两个相邻的连接杆2之间，当其中两个相邻的连接杆2之间发生相对旋转时，只有位于这两个连接杆2之间的光纤光栅3发生形变，而其他的光纤光栅3由于是通过粘结剂粘在其他的连接杆2上，因此其他的光纤光栅3并不发生形变，而由于这些光纤光栅3的波长均不相同，利用与第一光纤11和第二光纤12连接的解调仪就能够判断出是哪两个连接杆2之间的光纤光栅3发生了形变，从而判断出边坡发生滑移的具体高度位置。
连接杆2可以采用适当的结构形成铰接，优选地，所述连接杆2包括第一端和与所述第一端相对的第二端，每个所述连接杆2的第一端连接与其相邻的所述连接杆的第二端，以使多个所述连接杆2的中心线共线。
如图1所示，连接杆2的第一端上设置有一片孔板，第二端上设置有两片孔板，连接杆2的第一端上的单片孔板可以设置在与其相邻的连接杆2的第二端上的双片孔板之间，转轴6贯穿双片孔板和单片孔板从而使得两个连接杆2之间形成铰接，且保证在壳体1没有形变的情况下这两个连接杆2的主体部分的中心线重合(共线)，在每两个连接杆2之间均采用该结构连接就能够在壳体1没有形变的情况下使所有的连接杆2的中心线重合。其中，连接杆2可以为矩形体也可以为圆柱形体。在另一种情况中，连接杆2的两端可以为单片孔板，但是这两个单片孔板分别靠近连接杆2的一侧设置，在相邻的连接杆2上的不同侧设置的单片孔板之间形成铰接，同样能够实现多个连接杆2的中心线重合(共线)。
为了使壳体1中的连接杆2能够跟随壳体1的形变而发生相对旋转，连接杆2应当稳固地安装在壳体1中，比如连接杆2可以直接塞在壳体1中，这种情况下连接杆2的尺寸应当和壳体1的尺寸相匹配，比如当连接杆2和壳体1均为圆柱体时，连接杆2的外径应当略小于壳体1的内径，从而紧紧地塞在壳体1中；当然也可以采用其他方式，比如所述壳体1的内部设置有沿所述壳体1的轴向延伸的凹槽，所述连接杆2上设置有导轮5，所述连接杆2通过所述导轮5定位在所述凹槽中。
如图3所示，连接杆2的两侧安装有导轮5，由于首末两端的连接杆2的端部顶在壳体1的上下两个端面上，使得导轮5被定位在壳体1上的凹槽中。利用安装有导轮结构的连接杆2，在需要取出壳体1中的连接杆2时，打开壳体1的端面，就能够很容易地将导轮5将连接杆2拉出来，操作简便。
由于光纤光栅3以及光纤比较脆弱，如果直接设置在连接杆2上，在连接杆2之间发生旋转时很容易由于突然的拉扯造成光纤光栅3以及光纤被扯断，优选地，相邻的所述连接杆2之间设置有安装片4，所述第一光纤11和所述第二光纤12设置在所述安装片4上以使所述光纤光栅3整体安装在所述安装片4上。
如图1所示，在相邻的两个连接杆2的端部位置设置有安装片4，安装片4可以采用不锈钢材料制成，第一光纤11和第二光纤12利用粘结剂粘在安装片4上以使光纤光栅3位于安装片4上，当相邻的两个连接杆2发生旋转时，安装片4会发生相应的形变进而带动安装片4上的光纤光栅3发生形变。在连接杆2发生旋转时，由于安装片4为不锈钢的材料制成，具有一定的硬度，能够减缓由于连接杆2之间突然的旋转对光纤光栅3以及光纤造成的拉扯，防止光纤光栅3以及光纤被扯断。
而在另一方面，为了能够将连接杆2之间的旋转灵敏地反映在光纤光栅3的形变上，所述安装片4的安装有所述光纤光栅3的部分的刚度小于所述安装片4其他部分的刚度。
如图2所示，所述安装片包括两个端部41和位于两个所述端部41之间的中间部42，所述端部41的宽度大于所述中间部42的宽度，所述光纤光栅3位于所述中间部42，由于端部41的宽度大于中间部42的宽度，使得端部41的刚度大于中间部42的刚度，在相邻的两个连接杆2之间发生旋转时，由于端部41的刚度较大，能够有效减缓由于连接杆2之间的突然旋转对光纤光栅3以及光纤造成的拉扯，而由于中间部42的刚度较小，中间部42的形变明显，使得光纤光栅3的形变明显，从而提高传感器的灵敏度。
当然，也可以采用其他形成来使安装片4的安装有光纤光栅3的部分的刚度小于安装片4其他部分的刚度，比如使得端部41的厚度大于中间部42的厚度，也能够使得端部41的刚度大于中间部42的刚度。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种光纤光栅式传感系统，该系统包括如上所述的光纤光栅式传感器和解调仪，所述第一光纤11和所述第二光纤12分别连接所述解调仪。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光纤光栅式传感器，其特征在于，该光纤光栅式传感器包括壳体(1)、第一光纤(11)、第二光纤(12)和设置在所述壳体(1)中的多个连接杆(2)，所述壳体(1)为长条状以使铰接连接的多个所述连接杆(2)能够在所述壳体(1)中沿同一方向延伸，且所述壳体(1)能够发生形变，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)上均设置有光纤光栅(3)，
其中，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)分别设置在所述连接杆(2)的相对两侧，以使当所述连接杆(2)之间发生相对旋转时所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)中的一者被拉伸而另一者被压缩，所述第一光纤(11)的至少一端和所述第二光纤(12)的至少一端穿出所述壳体(1)，同一根所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)至少连接相邻的两个所述连接杆(2)，所述光纤光栅(3)设置在所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)位于相邻的两个所述连接杆(2)之间的部分上，
相邻的所述连接杆(2)之间设置有安装片(4)，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)设置在所述安装片(4)上以使所述光纤光栅(3)整体安装在所述安装片(4)上。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，所述安装片(4)的安装有所述光纤光栅(3)的部分的刚度小于所述安装片(4)其他部分的刚度。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，所述安装片包括两个端部(41)和位于两个所述端部(41)之间的中间部(42)，所述端部(41)的宽度大于所述中间部(42)的宽度，所述光纤光栅(3)位于所述中间部(42)。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，多个所述连接杆(2)的中心线共线。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，所述壳体(1)的内部设置有沿所述壳体(1)的轴向延伸的凹槽，所述连接杆(2)上设置有导轮(5)，所述连接杆(2)通过所述导轮(5)定位在所述凹槽中。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，同一根所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)上设置有多个中心波长均不相同所述光纤光栅(3)。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的光纤光栅式传感器，其特征在于，所述光纤光栅(3)均匀地设置在相邻的两个所述连接杆(2)之间。
8.光纤光栅式传感系统，其特征在于，该系统包括权利要求1-7中任意一项所述的光纤光栅式传感器和解调仪，所述第一光纤(11)和所述第二光纤(12)分别连接所述解调仪。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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