CN111060031B - 光纤光栅测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤光栅测斜仪，属于传感技术领域，包括壳体，以及设置在壳体内的弹性梁、力放大组件、第一磁体和第二磁体；弹性梁位于壳体的上部，且水平放置，一端与壳体的内壁连接，另一端为自由端；弹性梁上贴设有用于监测弹性梁伸长量的光纤光栅；力放大组件位于弹性梁下方；第一磁体位于力放大组件的下方，通过绕经力放大组件的刚性丝与弹性梁的自由端连接；第二磁体套设于第一磁体外并与第一磁体间隙配合；第二磁体固设于壳体内，且与第一磁体磁性相斥。本发明提供的光纤光栅测斜仪，测量精度高、测量范围大、结构简单、使用方便，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

Description

光纤光栅测斜仪

技术领域

本发明属于传感技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅测斜仪。

背景技术

对土体斜移的测量是工程监测与工程安全稳定的重要指标之一,因此测斜仪被广泛应用于岩土工程原位监测中,尤其是在边坡、路基、土体坝及地下洞室的深层侧向位移监测。传统的测斜传感器多为电子元器件传感器,不可避免的带来了易受电磁辐射干扰、长期稳定性差的缺点,无法满足在强电磁辐射等恶劣工作环境中使用的需要。

光纤光栅是一种性能优良的应变传感元件,本身具有灵敏度高,体积小,耐腐蚀,抗电磁辐射等优点,特别适用于长期在线监测,因此光纤光栅倾角传感器越来越受到人们的重视。但在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中存在至少如下问题：现有的光纤光栅倾角仪传感器由于精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于工程结构的变形监测。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光纤光栅测斜仪，旨在解决现有的光纤光栅倾角仪传感器由于精度低、寿命短、体积大等缺点难以应用于工程结构的变形监测的技术问题。

一方面，提供了一种光纤光栅测斜仪，包括：壳体，以及设置在所述壳体内的弹性梁、力放大组件、第一磁体和第二磁体；所述弹性梁位于所述壳体的上部，且水平放置，一端与所述壳体的内壁连接，另一端为自由端；所述弹性梁上贴设有用于监测所述弹性梁伸长量的光纤光栅；所述第一磁体位于所述弹性梁的下方，通过绕经所述力放大组件的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接；所述第二磁体套设于所述第一磁体外并与所述第一磁体间隙配合；所述第二磁体固设于所述壳体内，且与所述第一磁体磁性相斥；

所述第一磁体通过所述力放大组件向所述弹性梁施加沿所述弹性梁延伸方向的拉力。

作为本申请另一实施例，所述力放大组件包括固设于所述壳体内的转轴、转动设置在所述转轴上的杠杆，以及用于改变所述刚性丝方向的定滑轮；所述转轴将所述杠杆分隔为第一部分和第二部分，所述第一部分的长度大于所述第二部分的长度；所述杠杆的第一部分通过刚性丝与所述第一磁体连接，所述杠杆的第二部分通过绕经所述定滑轮的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接。

作为本申请另一实施例，所述定滑轮为多个，所述杠杆为多个且沿所述壳体的高度方向依次间隔设置在所述壳体内；位于底部的杠杆的第一部分通过刚性丝与所述第一磁体连接，位于顶部的杠杆的第二部分通过绕经相应定滑轮的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接；位于下方的杠杆的第二部分通过绕经相应定滑轮的刚性丝与上一个杠杆的第一部分连接，并对上一个杠杆施加向下的拉力。

作为本申请另一实施例，所述力放大组件还包括滑动设置在位于顶部的杠杆上的滑块。

作为本申请另一实施例，所述壳体为抗磁壳体，所述刚性丝为非磁金属丝。

作为本申请另一实施例，所述第二磁体通过连接件与所述壳体可拆卸连接。

作为本申请另一实施例，所述连接件包括套设在所述第二磁体上的固定环、设置在所述壳体内壁上的插槽，以及设置在所述固定环外壁上用于与所述插槽插接配合的插块。

作为本申请另一实施例，所述光纤光栅测斜仪还包括设置在所述第一磁体底部的配重体。

作为本申请另一实施例，所述壳体外壁上设有用于观察所述弹性梁与所测斜移方向是否垂直的参考标记。

作为本申请另一实施例，所述参考标记包括延伸方向与所述弹性梁平行的箭头标识，以及沿所述壳体高度方向延伸的定向条痕，所述定向条痕设有两个且分设于所述箭头标识的两侧，所述箭头标识设置在所述壳体的顶部。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪基于光纤光栅原理，实现了倾斜角度的测量；同时利用第一磁体和第二磁体间的排斥作用，大幅度减少了第一磁体和第二磁体之间的物理摩擦所带来的一系列的测量偏差，提高了测量精度。

其中，第二磁体可向第一磁体施加各个方向的斥力，从而实现了对第一磁体水平方向移动空间的约束，使第一磁体的倾斜所产生的力能够直接添加到力放大组件上，从而实现了对力的精确测量以及倾斜角度的精确计算。弹性梁的水平放置有效减少了第一磁体所受重力对弹性梁应变的不良影响，进而提高了设备测量结果的准确性。力放大组件的设置则实现了第一磁体对弹性梁施加力的放大，使得微小的倾斜也可被检测到，符合其高精度的测量要求。

又由于光纤光栅是一种性能优良的应变传感元件，本身具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射等优点，利用光纤光栅进行倾角测量，测量精度高、测量范围大、所占体积小，且特别适用于长期在线监测。

因此，本实施例提供的光纤光栅测斜仪测量精度高、测量范围大、结构简单、使用方便，适用于普通工程环境使用，尤其是坝体、边坡和路基的斜移测量，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪的竖向剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪的立体图结构示意图(未示出壳体和光纤光栅)；

图3为本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪的俯视结构示意图；

图4为发生倾斜时第一磁体的受力情况示意图。

图中：10、壳体；11、配重体；12、尾栅口；20、弹性梁；30、力放大组件；31、转轴；32、杠杆；33、定滑轮；34、滑块；40、第一磁体；50、第二磁体；60、光纤光栅；70、刚性丝；80、连接件；81、固定环；82、插槽；83、插块；90、参考标记；91、箭头标识；92、定向条痕。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1、图2及图4，现对本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪进行说明。所述光纤光栅测斜仪，包括壳体10，以及设置在壳体10内的弹性梁20、力放大组件30、第一磁体40和第二磁体50。

弹性梁20位于壳体10的上部，且水平放置，一端与壳体10的内壁连接，另一端为自由端。弹性梁20上贴设有用于监测弹性梁20伸长量的光纤光栅60。第一磁体40位于力弹性梁20的下方，通过绕经力放大组件30的刚性丝70与弹性梁20的自由端连接。第一磁体40通过力放大组件30向弹性梁20施加沿弹性梁20延伸方向的拉力。第二磁体50套设于第一磁体40外并与第一磁体40间隙配合。第二磁体50固设于壳体10内，且与第一磁体40磁性相斥。

需要说明的是，光纤光栅60能够与弹性梁20同等变形。随着光纤光栅60的变形其光栅周期和有效折射率会随之变化，从而导致光纤光栅60特征波长的变化，通过测量特征波长的移动量，再通过相关公式，便可得出光纤光栅60的拉应变ε。其中公式为公知常识，在此不再赘述。

初始状态下，第一磁体40在自身重力和第二磁体50的斥力的作用下位于第二磁体50所围成空腔的中央。当测斜仪发生倾斜时，第一磁体40会向倾斜一方发生微小倾斜，并对弹性梁20施加拉力，光纤光栅60则将该信号传送至信号接收装置内，测试人员可根据信号接收装置接收到的信号进行分析得出上述拉力的大小，即可求出倾斜角的大小。

具体地，当第一磁体40向倾斜一方发生微小倾斜时，第二磁体50向第一磁体40施加斥力F_磁，使得第一磁体40保持在第二磁体50的中央位置，此时第一磁体40受到自身重力G、F_磁和刚性丝70对其施加的拉力F_拉。由于合外力保持平衡，根据力三角形可知，F_拉＝G*cosa，a即为倾角。

设作用在弹性梁20自由端上的力为F_s，F_s＝K*F_拉＝K*G*cosa，其中K为力放大组件30的放大系数；由此可推导出cosa＝F_s/(K*G)。又由于F_s＝ε*A*E，其中ε为光纤光栅60和弹性梁20的拉应变，A为弹性梁20的横截面面积，E为弹性梁20的弹性模量，可得出cosa＝ε*A*E/(K*G)，其中ε可由光纤光栅60测出，A和E为固定常数，便可得出倾斜角度。

本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪，与现有技术相比，本发明实施例提供的光纤光栅测斜仪基于光纤光栅原理，实现了倾斜角度的测量；同时利用第一磁体40和第二磁体50间的排斥作用，大幅度减少了第一磁体40和第二磁体50之间的物理摩擦所带来的一系列的测量偏差，提高了测量精度。

其中，第二磁体50可向第一磁体40施加各个方向的斥力，从而实现了对第一磁体40水平方向移动空间的约束，使第一磁体40的倾斜所产生的力能够直接添加到力放大组件30上，从而实现了对力的精确测量以及倾斜角度的精确计算。弹性梁20的水平放置有效减少了第一磁体40所受重力对弹性梁20应变的不良影响，进而提高了设备测量结果的准确性。力放大组件30的设置则实现了第一磁体40对弹性梁20施加力的放大，使得微小的倾斜也可被检测到，符合其高精度的测量要求。

又由于光纤光栅60是一种性能优良的应变传感元件，本身具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射等优点，利用光纤光栅60进行倾角测量，测量精度高、测量范围大、所占体积小，且特别适用于长期在线监测。

因此，本实施例提供的光纤光栅测斜仪测量精度高、测量范围大、结构简单、使用方便，适用于普通工程环境使用，尤其是坝体、边坡和路基的斜移测量，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

具体地，第一磁体40和第二磁体50可以分别为具有强磁性的磁环，且两者的极性相同，或者两者仅在相对环形面上设置同极性磁力环，使用时第一磁体40在刚性丝70及第二磁体50的共同作用下悬浮于第二磁体50所围空腔内，第二磁体50的设置能够及时为刚性丝70与第一磁体40的组合结构提供有效的x方向力。第一磁体40可为环形，刚性丝70由第一磁体40中部通孔穿过，之后两者焊接或胶接。光纤光栅60可粘接于弹性梁20上，使得弹性梁20的变形可直接准确的传递至光纤光栅60，进而使得弹性梁20的变形能够实时通过光纤光栅60的波长的变化反应出来，从而确定弹性梁20的受力大小，最终得到力的大小，计算出倾斜角度。

本实施例中力放大组件30可以采用杠杆式力放大组件、滚轮式力放大组件或者其他形式的力放大组件，只要能实现上述功能即可。

请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，力放大组件30包括固设于壳体10内的转轴31、转动设置在转轴31上的杠杆32，以及用于改变刚性丝70方向的定滑轮33。转轴31将杠杆32分隔为第一部分和第二部分，第一部分的长度大于第二部分的长度。杠杆32的第一部分通过刚性丝70与第一磁体40连接，杠杆32的第二部分通过绕经定滑轮33的刚性丝70与弹性梁20的自由端连接。

本实施例中，与第一磁体40连接的刚性丝70与杠杆32的连接点距离转轴31的距离，始终大于与弹性梁20连接的刚性丝70与杠杆32的连接点距离转轴31的距离，即本实施例中杠杆32的动力臂的长度始终大于阻力臂的长度，从而实现了第一磁体40作用于弹性梁20的力的放大，符合其使用要求，且力放大组件30采用杠杆32和定滑轮33相配合的形式，结构简单，不易损坏，且制作成本低，便于推广。其中，定滑轮33的设置实现了弹性梁20与第一磁体40之间拉力方向的转向，进而有效减少了第一磁体40所受重力对弹性梁20应变的不良影响，提高了设备测量结果的准确性。

进一步地，杠杆32通过轴承与转轴31转动连接。转轴31两端分别与壳体10的内壁连接，保证结构稳定性。

进一步地，转轴31可以壳体10可拆卸连接。杠杆32为3根，可实现三级放大。

请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，定滑轮33为多个，杠杆32为多个且沿壳体10的高度方向依次间隔设置在壳体10内。位于底部的杠杆32的第一部分通过刚性丝70与第一磁体40连接，位于顶部的杠杆32的第二部分通过绕经相应定滑轮33的刚性丝70与弹性梁20的自由端连接。位于下方的杠杆32的第二部分通过绕经相应定滑轮33的刚性丝70与上一个杠杆32的第一部分连接，并对上一个杠杆32施加向下的拉力。这里所说的位于底部的杠杆32是指多个杠杆32中位于最下方的那个杠杆32，位于顶部的杠杆32是指多个杠杆32中位于最上方的那个杠杆32。

杠杆32设有多个则可有效增加力放大组件30的放大倍数，即增大K，从而使得测量结果更加准确。其中，杠杆32的个数可根据使用需要自行设定，K则为各杠杆32放大倍数的乘积。各杠杆32的放大倍数即为动力臂与阻力臂长度的比值。

其中，定滑轮33的设置使得位于下方的定滑轮33始终对上一个杠杆32的动力臂施加向下的拉力，进而保证了整个力放大组件30中的刚性丝70始终紧绷，确保了拉力的稳定传递。

请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，力放大组件30还包括滑动设置在位于顶部的杠杆32上的滑块34。

使用本实施例提供的光纤光栅测斜仪前，先将弹性梁20通过刚性丝70与力放大组件30连接，不安装第一磁体40，调整滑块34的位置，使得弹性梁20与力放大组件30之间的刚性丝70绷紧，同时光纤光栅60受力又为零。之后再安装第一磁体40，进行倾角测量。这样设置可有效抵消力放大组件30中的力，进一步提高测斜仪的测量精度。

请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，壳体10为抗磁壳体，刚性丝70为非磁金属丝。

壳体10采用抗磁壳体，可通过抗磁性对外界的磁场与内界磁场实现隔离，最大程度减少外界磁场对测量结果的影响。抗磁体外壳上有着尾栅口12，用于光纤光栅60与外界系统的连接。

刚性丝70采用非磁金属丝，有效避免了壳体10内磁场对刚性丝70的倾斜造成影响，进而保证了测量结果的精确性。

请参阅图1，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，第二磁体50通过连接件80与壳体10可拆卸连接。

第二磁体50与壳体10可拆卸连接，便于壳体10或第二磁体50发生损坏后对相应部件进行单独更换，进而降低了测斜仪的维修成本。

请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，连接件80包括套设在第二磁体50上的固定环81、设置在壳体10内壁上的插槽82，以及设置在固定环81外壁上用于与插槽82插接配合的插块83。

插块83和插槽82的设置实现了固定环81与壳体10的插接，便于用户根据使用需要将两者连接起来或分离。

具体地，固定环81可与第二磁体50焊接、胶接等，只要两者固定连接即可。

请参阅图1，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，光纤光栅测斜仪还包括设置在第一磁体40底部的配重体11。

配重体11的设置使得测斜仪的测试精度更高。

需要说明的是，由于配重体11的加入，当计算倾斜角度时，G变为了第一磁体40和配重体11重力之和。

请参阅图1，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，配重体11通过刚性丝70与第一磁体40连接，这样可使得配重体11不会对第一磁体40和第二磁体50之间的磁力作用造成不良影响。

在竖直状态下，配重体11由于重力作用以及刚性丝70的拉伸，配重体11保持在竖直向下状态。测量斜度角时，由于刚性丝70的存在，配重体11仍然保持竖直方向，而整个仪器位置状态发生变化，且第一磁体40随与其相连的刚性丝70一起向倾斜方向发生偏移，第二磁体50则对第一磁体40的磁力增大，使得第一磁体40与第二磁体50保持在非接触的状态。此时刚性丝70上所承受的力通过杠杆32、定滑轮33组成的滑轮组件和刚性丝70对力进行发放大、变向以及传递，最终传送于弹性梁20并使其发生形变，并将该形变通过光纤光栅60反应出来，并通过波长与斜度角的函数关系，计算出倾斜角。

该装置结构轻巧，操作便捷，抗外界干扰能力强，通过杠杆原理的放大作用，增加了测斜仪的灵敏度，并通过磁力元件的采用，解决了机械测斜仪固有的摩擦力过大的问题，经济效益高，适用范围广，可应用于各种需要测倾斜角的情况。

请一并参阅图1及图3，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，壳体10外壁上设有用于观察弹性梁20与所测斜移方向是否垂直的参考标记90。

对坝体、边坡和路基的斜移进行测量时，根据斜移方向和参考标记90调整壳体10与斜移方向或倾斜面相对位置，使得位于壳体10内的弹性梁20的延伸方向与斜移方向或倾斜面垂直。这样设置使得测斜仪所测倾斜角度即为坝体、边坡和路基的斜移角度，不会受到测斜仪摆放位置不精确的影响，进一步提高了测斜仪的测量精度。

请一并参阅图1及图3，作为本发明提供的光纤光栅测斜仪的一种具体实施方式，参考标记90包括延伸方向与弹性梁20平行的箭头标识91，以及沿壳体10高度方向延伸的定向条痕92，定向条痕92设有两个且分设于箭头标识91的两侧，箭头标识91设置在壳体10的顶部。

调整壳体10与斜移方向相对位置时，使定向条痕92与斜移方向平行，箭头标识91的延伸方向与斜移方向或倾斜面垂直。调整好之后，弹性梁20的延伸方向即与斜移方向或倾斜面垂直。

定向条痕92设有两个，进一步提高了测斜仪位置调整的便捷性。

箭头标识91设置在壳体10顶部，使得用户还可以根据箭头标识91查看测斜仪是否正立放置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光纤光栅测斜仪，其特征在于：包括壳体，以及设置在所述壳体内的弹性梁、力放大组件、第一磁体和第二磁体；所述弹性梁位于所述壳体的上部，且水平放置，一端与所述壳体的内壁连接，另一端为自由端；所述弹性梁上贴设有用于监测所述弹性梁伸长量的光纤光栅；所述第一磁体位于所述弹性梁的下方，通过绕经所述力放大组件的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接；所述第一磁体通过所述力放大组件向所述弹性梁施加沿所述弹性梁延伸方向的拉力；所述第二磁体套设于所述第一磁体外并与所述第一磁体间隙配合；所述第二磁体固设于所述壳体内，且与所述第一磁体磁性相斥。

2.如权利要求1所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述力放大组件包括固设于所述壳体内的转轴、转动设置在所述转轴上的杠杆，以及用于改变所述刚性丝方向的定滑轮；所述转轴将所述杠杆分隔为第一部分和第二部分，所述第一部分的长度大于所述第二部分的长度；所述杠杆的第一部分通过刚性丝与所述第一磁体连接，所述杠杆的第二部分通过绕经所述定滑轮的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接。

3.如权利要求2所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述定滑轮为多个，所述杠杆为多个且沿所述壳体的高度方向依次间隔设置在所述壳体内；位于底部的杠杆的第一部分通过刚性丝与所述第一磁体连接，位于顶部的杠杆的第二部分通过绕经相应定滑轮的刚性丝与所述弹性梁的自由端连接；位于下方的杠杆的第二部分通过绕经相应定滑轮的刚性丝与上一个杠杆的第一部分连接，并对上一个杠杆施加向下的拉力。

4.如权利要求3所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述力放大组件还包括滑动设置在位于顶部的杠杆上的滑块。

5.如权利要求1所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述壳体为抗磁壳体，所述刚性丝为非磁金属丝。

6.如权利要求1所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述第二磁体通过连接件与所述壳体可拆卸连接。

7.如权利要求6所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述连接件包括套设在所述第二磁体上的固定环、设置在所述壳体内壁上的插槽，以及设置在所述固定环外壁上用于与所述插槽插接配合的插块。

8.如权利要求1所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述光纤光栅测斜仪还包括设置在所述第一磁体底部的配重体。

9.如权利要求1-8任一项所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述壳体外壁上设有用于观察所述弹性梁与所测斜移方向是否垂直的参考标记。

10.如权利要求9所述的光纤光栅测斜仪，其特征在于：所述参考标记包括延伸方向与所述弹性梁平行的箭头标识，以及沿所述壳体高度方向延伸的定向条痕，所述定向条痕设有两个且分设于所述箭头标识的两侧，所述箭头标识设置在所述壳体的顶部。

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