CN111855043B - 一种光纤光栅土压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅土压力传感器，包括压力盘、应变梁和底座；所述应变梁包括：用于传导压力的中部、用于固定的两端、以及两段处于中部与一端之间的悬臂；所述应变梁两端架设在所述底座上，其中部悬空；所述压力盘中央具有向下的凸台与应变梁中部压接；应变梁至少一个悬臂，粘贴有一个或多个光纤光栅，所述光纤光栅传感器用于感受悬臂因压力盘凸台向应变梁中部传导的压力而产生的形变。本发明提供的光纤光栅土压力传感器，采用应变梁代替应变膜，能降低所受压力分布不均带来的误差。

Description

一种光纤光栅土压力传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种光纤光栅土压力传感器
背景技术
土压力传感器主要用于测量软土和填土中埋设点的土体压力变化，也可以测土体对挡土墙、抗滑桩等的表面接触压力。目前市场上的土压力传感器主要是通过测量受力梁的应变来间接测量压力，从敏感元件上分为电阻应变片式和光纤光栅式两种。电阻应变式土压力传感器输出信号弱，易受电磁干扰，组网难度大，光纤光栅式土压力传感器分辨率高，不受电磁干扰，性能稳定，在土木工程上的应用越来越多。
专利“光纤光栅土压力传感器”(申请号201911242132.4)公布了一种土压力传感器，通过测量弹性梁的拉伸应变来测量压力，该设计虽然采用了补偿温度的光纤光栅，能抵消部分温度带来的影响，但是其在上腔体填充的流体会存在热胀冷缩，任然影响压力的测量，同时其采用了X形架结构，土压力通过隔板传到弹性梁，当X形架夹角变化时，弹性梁受力和土压力比值也是变化的(跟夹角有关)，不是呈线性关系，在测量时会出现原理上的误差。
专利“一种具备温度补偿功能的光纤光栅土压力传感器”(申请号201910957418.4)公布了一种能测温度和土压力的传感器，该专利称能温度补偿，但是该设计只是在结构内放入了两个光纤光栅，一个放在导热良好的腔内，能测量外界的温度，另一个隔了一层隔热膜，只测压力，该专利只是能同时测量温度和压力，由于两个光纤光栅所处的温度环境不一样，并不能补偿温度对测量压力的光纤光栅的影响，导致测量压力的光纤光栅测量出来的压力值仍然会受到温度影响。
专利“一种光纤光栅土压力传感器”(申请号201911131104.5)公布了一种膜片式土压力传感器，其采用双膜片式结构，中间填充液压油，通过液压油对二次膜片产生等值压力，从而克服膜片式传感器与不均质岩土接触时受压力不平均的问题，但是该双膜片结构的一次膜片受压时，抵抗土压力带来一次膜片形变的不仅是液压油的液压，还有一次膜片本身的形变应力，所以当受压力点在不同位置时，一次膜片的形变应力也不同，从而两个膜片间的液压腔体积变化也不同，从而液压油的液压也不同，最终引起二次膜片的形变也不同，因而粘贴在二次膜片上的光纤光栅测量得到的土压力也会不同，尤其是在大量程传感器中，一次膜片较厚，效果更明显。同时，该传感器在高度上尺寸较大，安装比较占空间。
现有的光纤光栅土压力计难以兼顾量程、体积尺寸、以及测量灵敏度，量程做大后，高度很高，体积很大，质量也很重，在使用时会受到安装空间的限制，且操作不便。同时受力不均匀容易引起测量误差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤光栅土压力传感器，其目的在于选用应变梁而不是常见的应变膜，结合应变梁中部压力传导两侧悬臂应变感受的特点，在较小的尺寸下，提高应变梁的承载能力，同时提高形变敏感度，兼顾量程、体积以及测量灵敏度，由此解决现有的土压力传感器难以兼顾量程、体积尺寸、以及测量灵敏度的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光纤光栅土压力传感器，包括压力盘、应变梁和底座；
所述应变梁包括：用于传导压力的中部、用于固定的两端、以及两段处于中部与一端之间的悬臂；
所述应变梁两端架设在所述底座上，其中部悬空；所述压力盘中央具有向下的凸台与应变梁中部压接；
应变梁至少一个悬臂，粘贴有一个或多个光纤光栅，所述光纤光栅传感器用于感受悬臂因压力盘凸台向应变梁中部传导的压力而产生的形变
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁其横截面为矩形，具有平滑过渡的侧面，其高度大于等于20mm，长度大于等于200mm，具有平滑过渡的侧面。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁中部与两端膨大，悬臂缢缩。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁悬臂中部具有侧向槽口，优选所述槽口长度为应变梁长度的1/16至1/20，其高度为应变梁横截面高度的1/8至1/10。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁悬臂处粘有一个或多个光纤光栅。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁一侧悬臂上、下表面各粘有一个光纤光栅，优选所述光纤光栅串联。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁悬臂形变敏感区域粘有光纤光栅，所述悬臂下表面粘贴的光纤光栅比所述悬臂上表面粘贴的光纤光栅靠近所述应变梁中部。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述应变梁在达到满量程时，其形变敏感区应变在1000-2000个微应变之间，优选为1500-2000个微应变。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其还包括端盖，所述端盖与所述底座可拆卸固定，与所述压力盘轴孔过渡配合，优选所述压力盘和端盖轴孔配合的轴向长度大于等于配合直径的1/15，更优选1/10。
优选地，所述光纤光栅土压力传感器，其所述压力盘向下的凸台为圆形，其直径大于应变梁中部最宽处的宽度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于，能够取得下列有益效果：
本发明提供的光纤光栅土压力传感器，采用应变梁代替应变膜，。能降低所受压力分布不均带来的误差。
优选方案，对应变梁的形状进行优化，通过应变梁中部和两端膨大部分受力的形式，提高应变梁的承受能力；应变梁悬臂部分缢缩，提高应变梁的应变量，从而提高检测灵敏度。基于以上优化，在相对较小的体积尺寸下，兼顾量程及灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器剖视图；
图2是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器俯视图；
图3是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器仰视图；
图4是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器内部轴测图；
图5是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器内部俯视图；
图6是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器应变梁轴测图；
图7是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器满量程时应变梁的应变图；
图8是本发明实施例提供的光纤光栅土压力传感器满量程时应变梁的应力图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为底座，2为端盖，3为压力盘，4为应变梁，4-1为悬臂，5为光纤光栅，5-1为下表面光纤光栅，5-2为上表面光纤光缆光栅，6-1为光纤引入口，6-2为光纤引出口，7为螺栓。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的光纤光栅土压力传感器，包括端盖、压力盘、应变梁和底座；所述应变梁包括：用于传导压力的中部、用于固定的两端、以及两段处于中部与一端之间的悬臂；所述应变梁两端架设在所述底座上，其中部悬空；所述压力盘中央具有向下的凸台与应变梁中部压接；应变梁至少一个悬臂，粘贴有一个或多个光纤光栅，所述光纤光栅传感器用于感受悬臂因压力盘凸台向应变梁中部传导的压力而产生的形变所述端盖与所述底座可拆卸固定，与所述压力盘轴孔过渡配合，优选所述压力盘和端盖轴孔配合的轴向长度大于等于配合直径的1/15，更优选1/10。
所述应变梁由矩形截面梁演变而来，其中两端和中部变粗，形成膨大，左半部分和右半部分的中部与左端或右端之间较细，为缢缩的悬臂；优选应变梁中部最粗处的宽度为悬臂最细处的宽度的1.2至2.5倍。优选的，所述应变梁其横截面为矩形，所述应变梁的横截面垂直于轴向的截面，轴为通过应变梁两端中心点连线的直线，横截面矩形高度大于等于20mm，长度大于等于200mm，具有平滑过渡的侧面。当量程为10t时，应变梁的总长度不小于250mm，宽和高不小于24mm。该最小尺寸可根据量程的改变进行相应的调整。所述应变梁悬臂中部具有侧向槽口，优选所述槽口长度为应变梁长度的1/16至1/20，其高度为应变梁横截面高度的1/8至1/10。当量程为10t时，所述槽口尺寸为10mm×3mm，该槽口大小可以根据量程进行调整。平滑过渡的侧面能避免应力过于集中，从而获得较长的传感器使用寿命。
应变梁较粗的中部和了两段，使得应变梁的连接处具有足够大的强度，能够承载更大的压力，从而具有较大的量程；而悬臂处较细，因此应变集中且足够大，提高测量灵敏度；悬臂侧面的槽口，进一步的提高了灵敏度，同时调节应力。
所述应变梁悬臂处粘有一个或多个光纤光栅；优选所述应变梁一侧悬臂上、下表面各粘有一个光纤光栅。当受到压力时，应变梁的上表面受拉应力，光栅波长变大，下表面受压应力，光栅波长变小，故串联所述上、下表面的光栅时，有：
Δλ上表面＝λ(1-pe)ε+ΔλT
Δλ下表面＝-λ(1-pe)ε+ΔλT
其中，λ为中心波长，Pe为有效弹-光系数，ΔλT为温度引起的波长变化，ε为应变。
上表面波长变化量减去下表面波长变化量：
Δλ＝Δλ上表面-Δλ下表面
＝2λ(1-pe)ε
因此通过上下表面两个光栅测量值差分，比单个测量光栅的变化量大一倍提高了灵敏度，同时抵消了温度的影响，具有温度补偿功能。
为进一步提高传感器的灵敏度，我们进一步探究了所述形状的应变梁的应变敏感区，如图7所示，悬臂上表面的形变敏感区处于悬臂中间部分，根据悬臂的粗细变化而偏向较细的方向，悬臂下表面的形变敏感区，与悬臂上表面的形变敏感区相比较，更加靠近应变梁中部。故所述悬臂下表面粘贴的光纤光栅比所述悬臂上表面粘贴的光纤光栅靠近所述应变梁中部，能更好的对应形变敏感区。所述形变敏感区，为应变梁受到压力盘压力时，形变的应变在预设的范围内的连续区域。在达到满量程时，所述形变敏感区应变在1000-2000个微应变(με)之间，尤其是是集中在1500-2000个微应变(με)。
因为光纤光栅在满量程时最好在2000με以内。应变太小，传感器灵敏度不高；应变太大，光纤光栅寿命受影响，应变太小，传感器灵敏度不高；应变太大，光纤光栅寿命受影响。
所述应变梁厚度由量程决定，以10t量程为例，其厚度不小于24mm，在该厚度下，满量程时应变梁的应力在材料的弹性极限和比例极限范围内，能保证传感器有好的重复性和线性度，使得土压力传感器的量程能达到10t。
所述压力盘向下的凸台为圆形，其直径大于应变梁中部最宽处的宽度，帮助压力传导至应变梁。
所述端盖与所述底座可拆卸固定，例如采用螺纹配合，形成土压力传感器的外壳，仅把压力盘的上部露出来，应变梁和光纤光栅封装在内部；其与与所述压力盘轴孔过渡配合，优选所述压力盘和端盖轴孔配合的轴向长度大于等于配合直径的1/15，更优选1/10。当压力盘受力点不在正中间或受力不均匀时，会有倾覆趋势，此时端盖和压力盘配合长度足够长，能提供足够的防倾覆力矩，防止压力盘转动，这样压力盘受到的压力能全部传递到应变梁的中部，克服受力不均匀时测量不准确的问题。
本发明优选方案应变梁设计为两端和中部粗，左半部和右半部的中间较细且开有槽口的形状，通过调节梁的厚度、宽度和槽口大小，可以使粘贴光栅的区域在受力为满量程时为1000～2000个微应变(με)，该应变在光纤光栅的弹性形变范围内，卸载后可以完全恢复原形。对于光纤光栅，1με会引起中心波长发生1pm左右的偏移，所以满量程时中心波长会发生1～2nm的偏移，光纤光栅解调仪的分辨率一般在0.1～1pm，所以该传感器差分换算后的灵敏度为0.1％～0.01％。
以下为实施例：
如图1所示，本发明主要由底座(1)、端盖(2)、压力盘(3)、应变梁(4)和粘贴在应变梁上的光纤光栅(5)组成。压力盘(3)下方压接在应变梁(4)的中部，把压力传给应变梁。应变梁(4)的两端通过四个螺栓与底盘(1)固定，应变梁(4)的中部悬空。光纤光栅(5-1,5-2)分别粘贴在应变梁(4)上下表面。端盖(2)通过螺纹(7)与底座(1)连接，形成土压力传感器的外壳，压力盘(3)上部穿过端盖(2)伸出至传感器外面，应变梁(4)和光纤光栅(5-1,5-2)被封装在内部。
应变梁中部最粗处直径64mm，梁长250mm，左半部和右半部中段最窄处24mm宽，24mm高。应变梁采用60Si2Mn弹簧钢，经过870℃淬火，440℃回火热处理后，屈服强度超过1375MPa，弹性极限超过900MPa。
光纤光栅(5-1)和(5-2)串接在一起。粘贴在上表面的光纤光栅中心波长比粘贴在下表面的光纤光栅中心波长大，且中心波长至少大2nm。光纤从引入口(6-1)进入，依次串接下表面光纤光栅(5-1)和上表面光纤光栅(5-2)，并从引出口(6-2)出去，可以继续串接下一个光纤传感器。
本实施例的土压力传感器，设计量程为10吨，10t作用力压在压力盘上，压力盘下部直径64mm，压在应变梁中部。当满量程(10t)时粘贴上表面光栅的区域应力在800MPa内。应变梁满量程时应力远低于材料的屈服强度，在比例极限范围内，应变和待测土压力呈线性关系。满量程(10t)时应变大概在1500～2000个με之间，既远低于光纤的抗拉强度，也能有足够的应变使测量足够灵敏。
本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括压力盘、应变梁和底座；
所述应变梁包括：用于传导压力的中部、用于固定的两端、以及两段处于中部与一端之间的悬臂；
所述应变梁两端架设在所述底座上，其中部悬空；所述压力盘中央具有向下的凸台与应变梁中部压接；所述应变梁其横截面为矩形，其中部与两端膨大，悬臂缢缩，具有平滑过渡的侧面；所述应变梁其高度大于等于20mm，长度大于等于200mm；应变梁中部最粗处的宽度为悬臂最细处的宽度的1.2至2.5倍；所述应变梁悬臂中部具有侧向槽口，所述槽口长度为应变梁长度的1/16至1/20，其高度为应变梁横截面高度的1/8至1/10；所述应变梁屈服强度超过1375MPa，弹性极限超过900MPa；
所述应变梁一侧悬臂上、下表面各粘有一个光纤光栅，所述光纤光栅传感器用于感受悬臂因压力盘凸台向应变梁中部传导的压力而产生的形变，所述应变梁悬臂形变敏感区域粘有光纤光栅，所述悬臂下表面粘贴的光纤光栅比所述悬臂上表面粘贴的光纤光栅靠近所述应变梁中部。
2.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅串联。
3.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述应变梁在达到满量程时，其形变敏感区应变在1000-2000个微应变之间。
4.如权利要求3所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述应变梁在达到满量程时，其形变敏感区应变在1500-2000个微应变之间。
5.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，还包括端盖，所述端盖与所述底座可拆卸固定，与所述压力盘轴孔过渡配合。
6.如权利要求5所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述压力盘和端盖轴孔配合的轴向长度大于等于配合直径的1/15。
7.如权利要求6所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述压力盘和端盖轴孔配合的轴向长度大于等于配合直径的1/10。
8.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述压力盘向下的凸台为圆形，其直径大于应变梁中部最宽处的宽度。
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