CN111121716A - 一种光纤光栅静力水准仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅静力水准仪，包括底座、底盘、波纹膜片、调节柱、螺柱、铝制套筒、固定筒、光纤固定杆，铝制套筒可快速传递热量，使传感元件能够及时感应外界温度，光纤固定杆采用不锈钢，导热性较好，可使两个敏感元件周围温度场均匀，光栅光纤通过胶体粘在光纤固定杆中部，且两光栅分布在胶体的两侧；靠近底盘部分测量波纹膜片的应变，靠近螺母部分测量温度变化，从而消除温度变化对应变光栅的波长变化影响，波纹膜片为316L不锈钢材质，正弦式波纹，其“压力‑位移”曲线具有线性度、灵敏度高的优势，本发明结构简单，设计小巧，携带方便，在土木工程结构沉降监测中具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及静力水准仪技术领域，具体为一种光纤光栅静力水准仪。
背景技术
目前，基于光纤光栅的传感技术得到快速发展，该类型传感器具有防止电磁干扰、无电检测、耐腐蚀、重量轻等优点；光纤光栅静力水准仪可用于测量大型建筑物等土木工程结构沉降等，由于使用环境的复杂性，温度变化较大，且光纤光栅传感原理基于应变及温度引起光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，并通过测量特征波长的移动量来测量应变及温度。
目前，该类型传感器普遍存在沉降测量中温度补偿误差大，传感器携带不方便等缺陷，因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光栅静力水准仪，为消除温度变化对测量精度的影响，通过采用双光栅结构，消除温度变化对沉降测量的影响；铝制套筒与不锈钢光纤固定杆能够快速实现温度传导，保证传感元件周围温度场均匀，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光纤光栅静力水准仪，包括底座、底盘、波纹膜片、调节柱、螺柱、铝制套筒、固定筒、光纤固定杆，所述光纤固定杆及螺柱与光纤分别采用胶水粘结，所述光纤固定杆与底盘之间、螺柱与调节柱之间均采用螺纹连接，所述调节柱焊接于波纹膜片中间位置，所述底盘与波纹膜片焊接并组成静力水准仪的核心传感部分，所述底盘下表面与底座上表面焊接，所述固定筒及铝制套筒与底盘螺纹连接，所述光纤固定杆设置于固定筒的中心孔内并通过第一螺母和第二螺母紧固。
优选的，所述光纤通过胶体粘在光纤固定杆中部，所述胶体两侧分别设置有第一光栅和第二光栅，第一光栅测量波纹膜片的位移变化，第二光栅测量温度变化，进行温度补偿，从而消除温度变化对第一光栅的波长变化影响，所述第一光栅和第二光栅之间的距离为光纤固定杆中部凹槽的长度，第一光栅和第二光栅之间的距离较近，使得两光栅周围温度场保持一致，提高应力测量的准确性。
优选的，所述波纹膜片采用316L不锈钢制作，所述波纹膜片的型面为正弦式波纹，其“压力-位移”曲线具有线性度、灵敏度高的优势。
优选的，所述光纤固定杆采用不锈钢制作，所述光纤固定杆一端采用弹簧式结构，在受到拉力时容易产生明显形变。
优选的，所述铝制套筒采用铝材制作，实现传感器内外温度快速传导，提高温度测量的准确性。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
步骤一：对光纤光栅静力水准仪进行温度补偿率定和液位率定，温度率定时要求从-20℃到85℃；
步骤二：温升和温降各做两次，每隔5℃记录一次应变光栅波长和温度补偿光栅的波长数据，温度率定结束后，计算出该传感器的温度补偿系数；
步骤三：液位率定时，要求在恒温环境中进行，调整液体高度，每隔3mm记录一次应变光栅波长数据，液位率定结束后，计算出传感器的液位变化系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明结构简单，组装、携带方便、质量轻巧，有效提高了沉降监测的精度和灵敏度，有效避免了外界温度变化快的影响，在土木工程结构沉降监测中具有很高的实用价值。
（2）为消除温度变化对测量精度的影响，通过采用双光栅结构，消除温度变化对沉降测量的影响
（3）铝制套筒可快速传递热量，使传感元件能够及时感应外界温度，光纤固定杆采用不锈钢，导热性较好，可使两个敏感元件周围温度场均匀。
（4）靠近底盘部分测量波纹膜片的应变，靠近螺母部分测量温度变化，从而消除温度变化对应变光栅的波长变化影响，波纹膜片为316L不锈钢材质，正弦式波纹，其“压力-位移”曲线具有线性度、灵敏度高的优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为光纤固定杆主视图。
图3为螺柱主视图。
图4为固定筒主视图。
图5为固定筒截面示意图。
图中：1.底座，2.底盘，3.波纹膜片，4.调节柱，5.螺柱，6.铝制套筒，7.固定筒，8.光纤固定杆，9.第一光栅，10.第二光栅，11.第一螺母，12.第二螺母。
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。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种光纤光栅静力水准仪，包括底座1、底盘2、波纹膜片3、调节柱4、螺柱5、铝制套筒6、固定筒7、光纤固定杆8，光纤固定杆8及螺柱5与光纤13分别采用胶水粘结，光纤13通过胶体粘在光纤固定杆8中部，胶体两侧分别设置有第一光栅9和第二光栅10，第一光栅9测量波纹膜片的位移变化，第二光栅10测量温度变化，进行温度补偿，从而消除温度变化对第一光栅9的波长变化影响，第一光栅9和第二光栅10之间的距离为光纤固定杆8中部凹槽的长度，第一光栅9和第二光栅10距离较近，使得两光栅周围温度场保持一致，提高应力测量的准确性，光纤固定杆8与底盘2之间、螺柱5与调节柱4之间均采用螺纹连接，光纤固定杆8采用不锈钢制作，光纤固定杆8一端采用弹簧式结构，在受到拉力时容易产生明显形变，调节柱4焊接于波纹膜片3中间位置，底盘2与波纹膜片3焊接并组成静力水准仪的核心传感部分，波纹膜片3采用316L不锈钢制作，其“压力-位移”曲线具有线性度、灵敏度高的优势，波纹膜片3的型面为正弦式波纹，底盘2下表面与底座1上表面焊接，固定筒7及铝制套筒6与底盘2螺纹连接，铝制套筒6采用铝材制作，实现传感器内外温度快速传导，提高温度测量的准确性，光纤固定杆8设置于固定筒7的中心孔内并通过第一螺母11和第二螺母12紧固。
一种光纤光栅静力水准仪，其组装过程为：
第一步组装传感部分,首先将调节柱4与螺柱5连接，然后将调节柱4、底盘2与波纹膜片3焊接，光纤13通过胶水与螺柱5粘结，光纤固定杆8与底盘2螺纹连接，光纤13与光纤固定杆8通过胶水粘结，粘结部位为光纤固定杆8中部，使第一光栅9和第二光栅10位于胶水两侧；
第二步是将螺母11预拧至光纤固定杆8一端，固定筒7与底盘2螺纹连接，光纤固定杆8通过固定筒7中心，螺母12与光纤固定杆8连接，第一螺母11和第二螺母12位于固定筒7内、外侧，光纤固定杆8与第一螺母11和第二螺母12采用细牙螺纹，通过调节第二螺母12的旋入长度，使得光纤固定杆8靠近底盘侧产生形变，且使光栅9产生预应变；
第三步将底座1与底盘2焊接，铝制套筒6与底盘2螺纹连接，光纤13穿过铝制套筒6中心，并封装，完成组装。
一种光纤光栅静力水准仪，其使用方法包括以下步骤：
步骤一：对光纤光栅静力水准仪进行温度补偿率定和液位率定，温度率定时要求从-20℃到85℃；
步骤二：温升和温降各做两次，每隔5℃记录一次应变光栅波长和温度补偿光栅的波长数据，温度率定结束后，计算出该传感器的温度补偿系数；
步骤三：液位率定时，要求在恒温环境中进行，调整液体高度，每隔3mm记录一次应变光栅波长数据，液位率定结束后，计算出传感器的液位变化系数。
工程使用中，传感器底座1连接外部水源（含防冻液），底座1于被测水源底部处于同一高度，使用过程中确保传感器垂直地面。
本发明结构简单，组装、携带方便、质量轻巧，有效提高了沉降监测的精度和灵敏度，有效避免了外界温度变化快的影响，在土木工程结构沉降监测中具有很高的实用价值；为消除温度变化对测量精度的影响，通过采用双光栅结构，消除温度变化对沉降测量的影响；铝制套筒与不锈钢光纤固定杆能够快速实现温度传导，保证传感元件周围温度场均匀。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：包括底座（1）、底盘（2）、波纹膜片（3）、调节柱（4）、螺柱（5）、铝制套筒（6）、固定筒（7）、光纤固定杆（8），所述光纤固定杆（8）及螺柱（5）与光纤（13）分别采用胶水粘结，所述光纤固定杆（8）与底盘（2）之间、螺柱（5）与调节柱（4）之间均采用螺纹连接，所述调节柱（4）焊接于波纹膜片（3）中间位置，所述底盘（2）与波纹膜片（3）焊接并组成静力水准仪的核心传感部分，所述底盘（2）下表面与底座（1）上表面焊接，所述固定筒（7）及铝制套筒（6）与底盘（2）螺纹连接，所述光纤固定杆（8）设置于固定筒（7）的中心孔内并通过第一螺母（11）和第二螺母（12）紧固。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：所述光纤（13）通过胶体粘在光纤固定杆（8）中部，所述胶体两侧分别设置有第一光栅（9）和第二光栅（10），所述第一光栅（9）和第二光栅（10）之间的距离为光纤固定杆（8）中部凹槽的长度。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：所述波纹膜片（3）采用316L不锈钢制作，所述波纹膜片（3）的型面为正弦式波纹。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：所述光纤固定杆（8）采用不锈钢制作，所述光纤固定杆（8）一端采用弹簧式结构。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：所述铝制套筒（6）采用铝材制作。
6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅静力水准仪，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
步骤一：对光纤光栅静力水准仪进行温度补偿率定和液位率定，温度率定时要求从-20℃到85℃；
步骤二：温升和温降各做两次，每隔5℃记录一次应变光栅波长和温度补偿光栅的波长数据，温度率定结束后，计算出该传感器的温度补偿系数；
步骤三：液位率定时，要求在恒温环境中进行，调整液体高度，每隔3mm记录一次应变光栅波长数据，液位率定结束后，计算出传感器的液位变化系数。
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