CN112729398B - 一种压力、振动两用传感器量测装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力、振动两用传感器量测装置及制备方法，压力、振动两用传感器量测装置主要由主体、振动感应模块和底盖组成。主体包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和侧壁，第一膜片设置在侧壁的顶端，第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上。振动感应模块包括金属球、悬臂梁、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，悬臂梁的一端设置在侧壁内，金属球设置在悬臂梁的另一端，第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别固定连接在悬臂梁上。底盖设置在侧壁的底端，底盖与主体形成空腔。通过3D熔融沉积打印的制备方法制成，为一体化设计，能够实现压力、振动同时测量。制备方法缩短了加工周期，降低了制作成本。

Description

一种压力、振动两用传感器量测装置及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅压力传感器领域，特别涉及一种压力、振动两用传感器量测装置及制备方法。

背景技术

光纤光栅是近年来发展起来的一种新型光纤无源器件，光纤光栅可以视为一个窄带滤波器，有光入射时，反射进入特定波长的光，而其他波长的光，则被投射过去。当温度或应变发生变化时，会使得光栅的周期和折射率发生改变，进而导致光纤光栅的波长发生漂移。凭借其优良的性能，在各个工程领域应用非常广泛。就土木工程而言，光纤光栅传感器也应用非常广泛，广泛应用于道路、桥梁、边坡土体等实际工程。

目前常用的传感器一般使用的是传统的成型方式，而这些传统的成型技术存在一定的不足，在研发设计传感器初期也不方便使用。随着社会经济的发展，土木工程领域也飞速发展，道路桥梁越来越多也越来越快，边坡土体、隧道工程也非常常见。但是随之而来的问题是，时常发生道路桥梁超载或者边坡土体坍塌，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。其中行驶超载和振动坍塌最为常见，基于此种原因，现需要一种改良的传感器。该传感器既可以测量上覆压力的作用，也可以监测振动作用带来的影响，可以应用于道路桥梁、边坡土体隧道等实体工程中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力、振动两用传感器量测装置及制备方法，该传感器可以监测上覆压力的作用，也可以检测振动作用。

本发明所采用的技术方案是：一种压力、振动两用传感器量测装置，包括：

主体，包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和侧壁，所述第一膜片设置在所述侧壁的顶端，所述第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上；

振动感应模块，包括金属球、悬臂梁、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，所述悬臂梁的一端设置在所述侧壁内，所述金属球设置在所述悬臂梁的另一端，所述第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别固定连接在所述悬臂梁上；以及

底盖，所述底盖设置在所述侧壁的底端，所述底盖与所述主体形成空腔。

有益效果：该压力、振动两用传感器量测装置设置为一体式机构，使光信号不受电磁干扰的影响，也不受外界恶劣自然环境的影响，通过第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器同时设置在悬臂梁上可消除环境温度对该量测装置的影响。该第一膜片上的第一光纤光栅传感器可以监测上覆压力，悬臂梁上的第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器能够检测振动，从而实现压力、振动同时测量。

进一步地，所述第一膜片朝向空腔一侧设置有第一凹槽，所述第一光纤光栅传感器固定连接在所述第一凹槽内。

进一步地，所述第一凹槽的截面设置为方形或半圆形。

进一步地，所述悬臂梁上设置有第二凹槽，所述第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器设置在所述第二凹槽内。

进一步地，所述第二凹槽的截面设置为方形或半圆形。

进一步地，所述侧壁的内侧面设置有卡槽，所述悬臂梁可拆卸的固定在所述卡槽上。

进一步地，所述第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器以同一方向穿出所述侧壁。

进一步地，所述侧壁的外侧设置有保护手柄，所述保护手柄设置在第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的穿出方向。

一种压力、振动两用传感器量测装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印独立的悬臂梁，悬臂梁上设置有第二凹槽，将第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器敷设在第二凹槽内，悬臂梁的一端打印有卡板，悬臂梁的另一端固定有金属球；

(2)通过3D打印装置打印主体，先打印第一膜片，第一膜片上设置有第一凹槽，开始打印上侧壁时，暂停打印，将第一光纤光栅传感器置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器进行固定，继续打印上侧壁；

(3)侧壁与保护手柄同时打印，位于手柄位置处的侧壁内侧设置有卡槽，卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动感应模块通过卡板固定在卡槽中，继续打印；

(4)主体打印完成后，打印独立的底盖，底盖打印完成后将底盖与主体组装。

有益效果：该压力、振动两用传感器量测装置通过3D熔融沉积技术设计打印而成，在设计阶段缩短了加工周期、提高了制作效率、降低了制作成本且解决了光纤光栅传感器容易受环境影响的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：

图1为本发明实施例的内部结构示意图；

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明实施例提供一种压力、振动两用传感器量测装置，主要由主体1、振动感应模块和底盖3组成。通过3D熔融沉积打印技术加工完成，为一体化设计。该主体1包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和侧壁，该第一膜片设置在该侧壁的顶端，该第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上；该侧壁为封闭环状，该第一光纤光栅传感器在侧壁的穿出处留有第一输出口，该第一光纤光栅传感器通过该第一输出口穿出侧壁。该振动感应模块包括金属球202、悬臂梁201、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，该悬臂梁201的一端设置在该侧壁内，该金属球202设置在该悬臂梁201的另一端，该第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别固定连接在该悬臂梁201上，该第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器在侧壁的穿出处留有第二输出口，该第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器通过第二输出口穿出侧壁。该底盖3设置在该侧壁的底端，该底盖3与该主体1形成空腔，该悬臂梁201为与空腔的中部，金属球202通过悬臂梁201悬挂在空腔中。该压力、振动两用传感器量测装置设置为一体式机构，使光信号不受电磁干扰的影响，也不受外界恶劣自然环境的影响，通过第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器同时设置在悬臂梁201上可消除环境温度对该量测装置的影响。该第一膜片上的第一光纤光栅传感器可以监测上覆压力，悬臂梁201上的第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器能够检测振动，从而实现压力、振动同时测量。

优选的，第一膜片朝向空腔一侧设置有第一凹槽，该第一光纤光栅传感器固定连接在该第一凹槽内。设置第一凹槽使得第一光纤光栅传感器内嵌于第一膜片，能够稳定的进行固定，有利于整体结构的一体化。该第一膜片在工作状态时位于顶部，受到上覆压力时，能够与第一光纤光栅传感器协同变形，实现土体上覆压力的量测。

优选的，该第一凹槽的截面设置为方形或半圆形且设置有一定深度，保证第一光纤光栅传感器能够稳定的固定在第一凹槽内，避免外露。

优选的，该悬臂梁201上设置有第二凹槽，该第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器设置在该第二凹槽内。设置第二凹槽使得第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器内嵌于悬臂梁201内，能够稳定的进行固定，有利于整体结构的一体化。该悬臂梁201工作状态时，一端固定在侧壁上，另一端悬浮在空腔中。工作状态时，该压力、振动两用传感器量测装置受到振动，悬臂梁201与第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器协同振动，从而实现振动的量测。

优选的，该第二凹槽的截面设置为方形或半圆形，保证第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器能够稳定的固定在悬臂梁201内，避免外露。

优选的，该侧壁的内侧面设置有卡槽，该悬臂梁201可拆卸的固定在该卡槽上。具体的，该振动感应模块位独立的构件，该悬臂梁201的一端设置有卡板，该悬臂梁201通过卡板固定在该卡槽上，结构简单，便于该压力、振动两用传感器量测装置的安装。

优选的，该第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器以同一方向穿出该侧壁。便于将第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器以同一方向接入光纤光栅解调仪。

优选的，该侧壁的外侧设置有保护手柄4，该保护手柄4设置在第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的穿出方向。具体的，该保护手柄4设置在该第一输出口和第二输出口处，该第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器通过该保护手柄4汇聚，与光纤光栅解调仪相连。该保护手柄4能够避免第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的穿出部分受到损伤。

本发明还提供一种压力、振动两用传感器量测装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印独立的悬臂梁201，悬臂梁201上设置有第二凹槽，将第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器敷设在第二凹槽内，悬臂梁201的一端打印有卡板，悬臂梁201的另一端固定有金属球202；

(2)通过3D打印装置打印主体1，先打印第一膜片，第一膜片上设置有第一凹槽，开始打印上侧壁时，暂停打印，将第一光纤光栅传感器置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器进行固定，继续打印上侧壁；

(3)侧壁与保护手柄4同时打印，位于手柄位置处的侧壁内侧设置有卡槽，卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动感应模块通过卡板固定在卡槽中，继续打印；

(4)主体1打印完成后，打印独立的底盖3，底盖3打印完成后将底盖3与主体1组装。

该压力、振动两用传感器量测装置通过3D熔融沉积技术设计打印而成，在设计阶段缩短了加工周期、提高了制作效率、降低了制作成本且解决了光纤光栅传感器容易受环境影响的问题。

具体的，光纤光栅在传输过程中，其中心波长与光纤的纤芯折射率以及光栅的栅格周期有关，假设FBG的中心波长λ_B、光纤的纤芯有效折射率n_eff以及FBG的光栅周期Λ满足如下方程：

Δλ_B＝2Λ·Δn_eff＝2Λ(ε,T)·n_eff(ε,T) (1)

通过对(1)式两边的参量分别微分处理后可得到：

简化(2)式后可以得到：

由上面定义，α和ξ分别表示光纤的平均热膨胀系数和热光系数。光纤光栅的热光系数定义为光栅纤芯模的有效折射率出现的相应变化，则可以得到：

同时由于光纤自身为玻璃晶体，由于弹光效应的影响，外界应变的变化也将导致光纤自身的折射率出现改变，定义上述的改变量为Δn，则可以得到：

根据弹光效应的相关理论，可以得到：

综上公式可简化为：

可以得到光纤的有效弹光系数为：

结合(4)(5)式可以得到FBG的中心波长随外界温度及应变变化的关系式为：

其中：

K_ε＝1-P_e (12)

利用式(11)则可以对温度和应变均发生变化的复杂环境下的FBG进行计算，同时也可以利用该式来深入探究FBG的温度、应变分离技术。由于悬臂梁201包含第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，故当第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器同时作用时，就可以消除环境温度对其产生的影响。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在该技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于，包括：

主体，包括第一膜片、第一光纤光栅传感器和侧壁，所述侧壁为封闭环状，所述第一膜片设置在所述侧壁的顶端，所述第一光纤光栅传感器固定连接在第一膜片上；

所述第一光纤光栅传感器用于监测上覆压力；

底盖，所述底盖设置在所述侧壁的底端，所述底盖与所述主体形成空腔；

振动感应模块，包括金属球、悬臂梁、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，所述悬臂梁的一端固定在所述侧壁上，所述悬臂梁的另一端悬浮在所述空腔中，所述金属球通过所述悬臂梁悬挂在所述空腔中，所述第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别固定连接在所述悬臂梁上；所述悬臂梁上设置有第二凹槽，所述第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器设置在所述第二凹槽内；所述侧壁的内侧面设置有卡槽，所述悬臂梁的一端打印有卡板，所述悬臂梁可拆卸的固定在所述卡槽上。

2.根据权利要求1所述的压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于：所述第一膜片朝向空腔一侧设置有第一凹槽，所述第一光纤光栅传感器固定连接在所述第一凹槽内。

3.根据权利要求2所述的压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于：所述第一凹槽的截面设置为方形或半圆形。

4.根据权利要求1所述的压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于：所述第二凹槽的截面设置为方形或半圆形。

5.根据权利要求1所述的压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于：所述第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器以同一方向穿出所述侧壁。

6.根据权利要求5所述的压力、振动两用传感器量测装置，其特征在于：还包括保护手柄，所述保护手柄设置在第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器的穿出方向。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的压力、振动两用传感器量测装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印独立的悬臂梁，悬臂梁上设置有第二凹槽，将第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器敷设在第二凹槽内，悬臂梁的一端打印有卡板，悬臂梁的另一端固定有金属球；

(2)通过3D打印装置打印主体，先打印第一膜片，第一膜片上设置有第一凹槽，开始打印上侧壁时，暂停打印，将第一光纤光栅传感器置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅传感器进行固定，继续打印上侧壁；

(3)侧壁与保护手柄同时打印，位于手柄位置处的侧壁内侧设置有卡槽，卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动感应模块通过卡板固定在卡槽中，继续打印；

(4)主体打印完成后，打印独立的底盖，底盖打印完成后将底盖与主体组装。

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