CN109470211A - 一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，包括封装外壳和摆锤；封装外壳外顶端和外底端均设有钢片，钢片上设有固定安装孔；封装外壳内部设有第一导轨和第二导轨，第一导轨上设有滑块，第二导轨上设有限位器；摆锤由摆杆、矩形钢件和重物组成，摆杆的顶端轴承安装在第一导轨中轴线处，摆杆的底端螺纹连接矩形钢件，矩形钢件螺纹连接重物,重物底端通过螺丝固定连接封装外壳；矩形钢件两侧连接限位器；滑块和矩形钢件的上下端均穿设细钢管，封装外壳外内设有两组垂直向下的传感光纤，两组传感光纤的上下端均固定于细钢管内；本发明通过传感光纤能够对地基平面实行高灵敏度的检测，具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。

Description

一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器

技术领域

本发明涉及一种倾斜传感器，尤其是涉及一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，涉及地基监测技术领域。

背景技术

近年来，随着运动馆、游泳馆、商业高楼等大型建筑的兴建，地基健康的监测已逐渐成为国内外研究的热点，特别是光纤倾斜传感器受到了广泛的关注。相比传统的电子式倾斜传感器，光纤倾斜传感器具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。传统的电子式倾斜传感器存在灵敏度较低，测量信号易受外界干扰，稳定性不强的缺陷，而目前光纤倾斜仪的产品市场基本是一个空缺，所以，需要设计一种具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点的光纤倾斜传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有传统电子式倾斜传感器的缺陷，提供一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，包括封装外壳和摆锤；所述封装外壳外顶端和外底端均设置有钢片，所述钢片上设置有镂空的固定安装孔；所述封装外壳内部从上到下依次设置有相互平行的第一导轨和第二导轨，所述第一导轨上设置有两组中心对称的滑块，所述第二导轨上设置有两组中心对称的限位器；所述摆锤由摆杆、矩形钢件和重物组成，所述摆杆的顶端轴承安装在第一导轨中轴线处，所述摆杆的底端螺纹连接矩形钢件，所述矩形钢件螺纹连接重物,所述重物底端通过螺丝固定连接封装外壳；所述矩形钢件两侧活动连接限位器；所述滑块和矩形钢件的上下端均穿设细钢管，所述封装外壳外内设置有两组垂直向下的传感光纤，两组所述传感光纤的上下端均固定于细钢管内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滑块、限位器和矩形钢件上均设置有若干均匀分布的固定点。

作为本发明的一种优选技术方案，所述封装外壳为长方体，所述封装外壳和重物均采用304不锈钢制成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述传感光纤和细钢管采用PY-51型AB粘胶胶接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述细钢管的长度均设置为20mm。

作为本发明的一种优选技术方案，两组所述传感光纤的受力部分等长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有抗高温、耐腐蚀、耐冲击、小膨胀系数和极佳的加工特性等优势，通过传感光纤能够对地基平面实行高灵敏度的检测，具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明倾斜传感器测量简图

图3为本发明倾斜传感器a测量简图；

图4为本发明倾斜传感器b测量简图；

图5为本发明光纤应变灵敏度与的关系曲线图；

图中1、固定安装孔；2、传感光纤；3、第一导轨；4、滑块；5、细钢管；6、摆杆；7、第二导轨；8、限位器；9、矩形钢件；10、重物；11、封装外壳；12、螺丝；13、钢片；100、摆锤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-5所示，本发明提供一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，包括封装外壳11和摆锤100；封装外壳11外顶端和外底端均设置有钢片13，钢片13上设置有镂空的固定安装孔1；封装外壳11内部从上到下依次设置有相互平行的第一导轨3和第二导轨7，第一导轨3上设置有两组中心对称的滑块4，第二导轨7上设置有两组中心对称的限位器8；摆锤100由摆杆6、矩形钢件9和重物10组成，摆杆6的顶端轴承安装在第一导轨3中轴线处，摆杆6的底端螺纹连接矩形钢件9，矩形钢件9螺纹连接重物10,重物10底端通过螺丝12固定连接封装外壳11，防止在运输过程中摆锤100随意摆动引起传感光纤2的拉扯，待使用时再取下螺丝12进行测量；矩形钢件9两侧活动连接限位器8，限位器8用于限制摆锤100的摆动幅度，可通过调节限位器8的间距改变量程；滑块4和矩形钢件9的上下端均穿设细钢管5，封装外壳11外内设置有两组垂直向下的传感光纤2，两组传感光纤2的上下端均固定于细钢管5内。

滑块4、限位器8和矩形钢件9上均设置有若干均匀分布的固定点；均匀分布的固定点是为了让左右两根光纤对称分布，也保证了在平衡状态的受力均衡；封装外壳11为长方体，封装外壳11和重物10均采用304不锈钢制成，使得整体装置具有抗高温、耐腐蚀、耐冲击、小膨胀系数还有极佳的加工特性等优势；传感光纤2和细钢管5采用PY-51型AB粘胶胶接，该固化剂工作温度从-20至±130℃，固化之后，胶接抗剪强度能够达到150kg/cm³，并且能够抗高温、抗酸碱、耐有机溶剂，所以适用于金属材质、木材、陶瓷等其在互相之间的粘接，能够符合倾斜传感器在现实中的使用场景需求。细钢管5的长度均设置为20mm；两组传感光纤2的受力部分等长，保证传感器的线性度与精度。

具体的，倾斜传感器处于水平位置时，长度相等的传感光纤维持了重物的位置平稳。摆杆总长度为L3，上端传感光纤固定点与摆杆转轴的距离为L2，下端传感光纤固定点与摆杆的距离为L1。第一导轨是用于调整L2的大小，通过调整使得L2＝L1，结合传感器实际使用中的大小以及封装结构上的考虑，采用圆柱体的重锤形状，质量m＝400g，半径R＝20mm，取上端传感光纤固定点与摆杆转轴的间距L2与下端传感光纤固定点与摆杆最下端的距离L1均为25mm，取摆杆的长度为115mm；左右两根传感光纤的应变变化分别表示为Δε_i(i＝1，2)，根据材料力学列出重物的力矩平衡方程：mgL₃sinα-SEΔε₁L₂＝0，则其中,当倾斜角度比较小的情况下，sinα:α，应变变化与倾斜角近似呈线性比例的关系，即该结构的传感光纤应变灵敏度为此时应变灵敏度最大；通过对固定安装孔进行安装螺丝，使得传感光纤倾斜仪固定在所测平面的垂直面上，若所测平面发生左右倾斜，重锤重力保持垂直方向，而传感光纤受力大小及方向发生改变，根据重锤重力与传感光纤受力的力矩平衡关系，可以求出单根传感光纤的应变灵敏度其中，传感光纤应变变化Δε可通过传感光纤光栅解调仪测得，则可通过一次标定得到Δε₀，再通过计算得到倾斜角度α；

(1)当L₂＜L₁，若在x-y平面向左发生了倾斜，倾斜传感器测量简图如图2所示。由图得知，传感光纤摆动趋势与摆杆摆动趋势较为接近，因此摆杆摆锤会发生幅度较大的摆动，导致倾斜检测结构的测量不准确，所以当L₂＜L₁时，不适用于实际测量；

本方案采用了第二点讨论的方法，采取图2中方法，可以避免这种情况的发生，取L₂＝L₁的情况效果最好。

(2)当L₂≥L₁，若在x-y平面向左发生了倾斜，倾斜传感器a测量简图，如图3，两座传感光纤的应变变化分别表示为Δε_i(i＝1，2)。由图中传感光纤与摆杆的运动趋势线可知左侧传感光纤受拉，右侧传感光纤不受拉，此时倾斜传感器测量简图如图4所示。若倾斜角度为α，则重物的力矩平衡方程为：

mgL₃sinα-SEΔε₁L₂cosθ＝0 (1)

式中m是重物的质量，L₃是摆杆总长度，S是传感光纤的横截面面积，E表示传感光纤材料的杨氏模量，L₂表示上端传感光纤固定点与摆杆转轴的距离,L₁表示下端传感光纤固定点与摆杆的距离。将式(1)化简得：

又因为：

将式(3)代入式(2)，可以得到：

其中当倾斜角度比较小的情况下，应变变化与倾斜角近似呈线性比例的关系。为了得到最大的应变灵敏度，取θ＝0(L₂＝L₁),此时该结构的传感光纤应变灵敏度为传感光纤应变灵敏度与的关系曲线如图4，呈反比例函数关系。

不过当取过小，摆杆摆锤在发生倾斜时也会发生幅度较大的摆动,和第一种情况(L₂＜L₁)的讨论结果一样，最终会导致倾斜检测结构的测量不准确。当倾斜检测结构向右发生倾斜时，情况与向左倾斜的情况一样，因此左右两根传感光纤可以单独检测出该测所发生的倾斜。

综上所述，最终采用L₂＝L₁的结构设计，根据以上理论分析，并结合传感器实际使用中的大小以及封装结构上的考虑，最终把重锤形状定为圆柱体，质量m＝400g，半径是20mm，取上端传感光纤固定点与摆杆转轴的间距L₂与下端传感光纤固定点与摆杆最下端的距离L₁均为25mm，取摆杆的长度L₃为115mm。

本发明具有抗高温、耐腐蚀、耐冲击、小膨胀系数和极佳的加工特性等优势，通过传感光纤能够对地基平面实行高灵敏度的检测，具有可复用、质量轻、灵敏度高、成本低等诸多优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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)

1.一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，包括封装外壳(11)和摆锤(100)；其特征在于：所述封装外壳(11)外顶端和外底端均设置有钢片(13)，所述钢片(13)上设置有镂空的固定安装孔(1)；所述封装外壳(11)内部从上到下依次设置有相互平行的第一导轨(3)和第二导轨(7)，所述第一导轨(3)上设置有两组中心对称的滑块(4)，所述第二导轨(7)上设置有两组中心对称的限位器(8)；所述摆锤(100)由摆杆(6)、矩形钢件(9)和重物(10)组成，所述摆杆(6)的顶端轴承安装在第一导轨(3)中轴线处，所述摆杆(6)的底端螺纹连接矩形钢件(9)，所述矩形钢件(9)螺纹连接重物(10),所述重物(10)底端通过螺丝(12)固定连接封装外壳(11)；所述矩形钢件(9)两侧活动连接限位器(8)；所述滑块(4)和矩形钢件(9)的上下端均穿设细钢管(5)，所述封装外壳(11)外内设置有两组垂直向下的传感光纤(2)，两组所述传感光纤(2)的上下端均固定于细钢管(5)内。

2.根据权利要求1所述的一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，其特征在于：所述滑块(4)、限位器(8)和矩形钢件(9)上均设置有若干均匀分布的固定点。

3.根据权利要求1所述的一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，其特征在于：所述封装外壳(11)为长方体，所述封装外壳(11)和重物(10)均采用304不锈钢制成。

4.根据权利要求1所述的一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，其特征在于：所述传感光纤(2)和细钢管(5)采用PY-51型AB粘胶胶接。

5.根据权利要求1所述的一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，其特征在于：所述细钢管(5)的长度均设置为20mm。

6.根据权利要求1所述的一种拉伸结构的新型光纤倾斜传感器，其特征在于：两组所述传感光纤(2)的受力部分等长。