CN112729401B - 基于3d熔融沉积技术的位移、水压力传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器及制备方法，基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器主要由主体、L形空心杆、金属片和底盖组成。主体包括膜片、侧壁和中间隔板，膜片设置在侧壁的一侧端口，侧壁环绕形成的空间内设置有中间隔板，膜片、侧壁和中间隔板围成第一空腔。L形空心杆的一端固定在膜片的内侧，另一端固定侧壁上，L形空心杆内设置有第一光纤光栅传感器。侧壁内侧设置有环形平台，金属片固定在环形平台的底面，金属片上设置有第二光纤光栅传感器，底盖设置在侧壁的另一侧端口。基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器设置为一体化结构，能够实现结构的变形位移和流体压力的同时测量，制备方法缩短了加工周期。

Description

基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅压力传感器领域，特别涉及基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器及制备方法。
背景技术
光纤光栅是一种性能良好的光纤无源器件，随着光纤领域的发展，其应用的场景领域越来越多，比较常见的应用就是用于测量压力、应变、温度、声场等物理量。光纤光栅本身具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强、原理简单等优点，并且容易制作成各种传感器，所以光纤光栅在航空航天、石油采矿、土木工程、船舶机械等工程领域应用比较广泛。
现有传感器一般多采用传统的成型技术，而传统的成型技术在传感器开发方面有某些不足之处：加工精度受限、模型加工周期长，小批量生产造价昂贵，传感器一般都是组装而成，不仅功能单一，而且使用年限短、易损坏、不防水等。裸光纤光栅由于其脆弱、纤细、容易折断且抗剪能力差等特点，在土木工程中无法直接达到实际应用的标准。
发明内容
本发明的目的在于提供基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器及制备方法，能够实现位移、水压力同时检测。
本发明所采用的技术方案是：基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，包括：
主体，包括膜片、侧壁和中间隔板，所述侧壁环绕设置在膜片外圈且所述膜片设置在所述侧壁的一侧端口，所述侧壁环绕形成的空间内设置有中间隔板，所述膜片、侧壁和中间隔板围成第一空腔，位于所述第一空腔外的侧壁内侧设置有环形平台；
L形空心杆，设置为弯折件，所述L形空心杆的一端固定在所述膜片的内侧，所述L形空心杆的另一端固定在位于所述第一空腔的侧壁上，所述L形空心杆内设置有第一光纤光栅传感器；
金属片，固定在所述环形平台的底面，所述金属片上设置有第二光纤光栅传感器；
底盖，设置有流水通孔，所述底盖设置在所述侧壁的另一侧端口，所述底盖、侧壁和中间隔板围成第二空腔。
有益效果：该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器设置为一体化结构，通过L形空心杆与膜片协同变形，从而实现结构的变形位移的测量，金属片上的第二光纤光栅传感器由于第二空腔的设置，使混凝土内水流撞击金属片，从而测量结构的流体压力，能够实现结构的变形位移和流体压力的同时测量，该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器效率高、制作成本低。
进一步地，所述基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器还包括环形空心杆，所述环形空心杆内设置有第三光纤光栅传感器，所述环形空心杆设置在所述第一空腔外的侧壁内侧。
进一步地，所述侧壁的外侧朝同一方向设置有第一外接口、第二外接口和第三外接口，分别用于所述第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器穿出所述侧壁。
进一步地，所述L形空心杆和所述环形空心杆采用金属材质制成。
进一步地，所述膜片朝向第一空腔的一侧设置有第一内接口，位于所述第一空腔的侧壁上设置有第二内接口，所述L形空心杆的一端设置在所述第一内接口内，所述L形空心杆的另一端设置在所述第二内接口内。
进一步地，所述主体还包括密封圈，所述密封圈设置在所述膜片和所述侧壁之间。
进一步地，位于所述第二空腔的侧壁上设置有多个透气孔。
进一步地，所述第一光纤光栅传感器上设置有负热膨胀管。
进一步地，所述底盖采用透水石制成。
基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备膜片，膜片上设置有第一内接口，将密封圈套设在膜片的侧边；
(2)通过3D打印装置制备侧壁，在侧壁的内侧设置有第二内接口，侧壁的外侧设置有第一外接口、第二外接口和第三外接口，当第二外接口打印完成后停止打印，将L形空心杆的一端插入第二内接口，再将套有负热膨胀管的第一光纤光栅传感器通过第一外接口插入L形空心杆内固定，随后将带有密封圈的膜片固定在该侧壁的一端端口，该L形空心杆的另一端插入第一内接口；
(3)继续打印侧壁，侧壁的内侧设置有环形平台，环形平台上方的侧壁上设置有透气孔，侧壁打印完成后，将金属片固定在环形平台上，将第二光纤光栅传感器通过第二外接口穿入侧壁内并固定在该金属片上；
(4)将一环形空心杆固定在侧壁内侧，将第三光纤光栅传感器通过第三外接口穿入环形空心杆内固定；
(5)将开有流水通孔的底盖固定在侧壁的另一端端口。
有益效果：该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器通过3D熔融沉积技术设计打印而成，大大缩短了加工周期，简化了制造流程，节约了成本且解决了裸光纤光栅难以直接应用于实际工程的问题。
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为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的内部结构剖面图。
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和图2，本发明实施例主要提供基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，主要由主体、L形空心杆2、金属片3和底盖4组成。该主体包括膜片101、侧壁102和中间隔板103，该侧壁102环绕设置在膜片101外圈且该膜片101设置在该侧壁102的一侧端口，该侧壁102环绕形成的空间内设置有中间隔板103，该膜片101、侧壁102和中间隔板103围成第一空腔。该L形空心杆2设置为弯折件，包括水平端和竖直端，该L形空心杆2的竖直端固定在该膜片101的内侧，该L形空心杆2的水平端固定在位于该第一空腔的侧壁102上，该L形空心杆2内设置有第一光纤光栅传感器601，从而将膜片101与L形空心杆2设置为一体，该第一空腔放置在混凝土内，该膜片101受到压力时会产生位移，该膜片101向第一空腔内凹陷，从而带动该L形空心杆2协同变形，该第一光纤光栅传感器601实现位移的测量。位于该第一空腔外的侧壁102内侧设置有环形平台，该金属片3固定在该环形平台的底面，该金属片3上设置有第二光纤光栅传感器602，该底盖4设置有流水通孔，该底盖4设置在该侧壁102的另一侧端口，该底盖4、侧壁102和中间隔板103围成第二空腔。混凝土内的水通过底盖4上的流水通孔进入第二空腔，使混凝土内水流撞击金属片3，从而测量结构的流体压力。该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器设置为一体化结构，通过采用光纤光栅的技术方式避免了使用过程中受到电磁干扰的影响，能够实现结构的变形位移和流体压力的同时测量，该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器效率高、制作成本低。
优选的，该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器还包括环形空心杆5，该环形空心杆5内设置有第三光纤光栅传感器603，该环形空心杆5设置在该第一空腔外的侧壁102内侧。该环形空心杆5内部固定第三光纤光栅传感器603能够消除水温度变化对水压力测量的影响，该环形空心杆5能够隔绝温度。
优选的，该侧壁102的外侧朝同一方向设置有第一外接口701、第二外接口702和第三外接口703，分别用于该第一光纤光栅传感器601、第二光纤光栅传感器602、第三光纤光栅传感器603穿出该侧壁102。具体的，该第一外接口701设置在该L形空心杆2水平端对应位置的外侧，该第二外接口702设置在该金属片3水平位置的外侧，该第三外接口703设置在该环形空心杆5水平位置的外侧，该第一外接口701、第二外接口702和第三外接口703朝同一方向设置便于将第一光纤光栅传感器601、第二光纤光栅传感器602和第三光纤光栅传感器603以同一方向接入光纤光栅解调仪。
优选的，该L形空心杆2和该环形空心杆5采用金属材质制成，提高该第一光纤光栅传感器601和第三光纤光栅传感器603的测量准确度。
优选的，该膜片101朝向第一空腔的一侧设置有第一内接口，位于该第一空腔的侧壁102上设置有第二内接口，该L形空心杆2的一端设置在该第一内接口内，该L形空心杆2的另一端设置在该第二内接口内。具体的，该第一内接口位于该第一外接口701对应位置的内侧，该第二内接口设置在该膜片101的中心。结构简单，位移传递效果好。
优选的，该主体还包括密封圈8，该密封圈8设置在该膜片101和该侧壁102之间，提高第一空腔的密封效果，保证位移测量的精确度。
优选的，位于该第二空腔的侧壁102上设置有多个透气孔，使得第二空腔通过透气孔与大气相连，避免膜片101运动时干扰金属片3变形，保证了第二光纤光栅传感器602不会受到膜片101运动的影响，提高了水压力测量的精确度。
优选的，该第一光纤光栅传感器601上设置有负热膨胀管。具体的，位于第一内接口处和L形空心杆2内端头处的第一光纤光栅传感器601分别设置有负热膨胀管，采用负热膨胀管能够进一步消除结构内温度变化造成金属杆变形引起的测量误差，将第一光纤光栅传感器601与L形空心杆2间隔开来，提高该第一光纤光栅传感器601的测量精确度。
优选的，该底盖4采用透水石制成。
本发明实施例还提供基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备膜片101，膜片101上设置有第一内接口，将密封圈8套设在膜片101的侧边；
(2)通过3D打印装置制备侧壁102，在侧壁102的内侧设置有第二内接口，侧壁102的外侧设置有第一外接口701、第二外接口702和第三外接口703，当第二外接口702打印完成后停止打印，将L形空心杆2的一端插入第二内接口，再将套有负热膨胀管的第一光纤光栅传感器601通过第一外接口701插入L形空心杆2内固定，随后将带有密封圈8的膜片101固定在该侧壁102的一端端口，该L形空心杆2的另一端插入第一内接口；
(3)继续打印侧壁102，侧壁102的内侧设置有环形平台，环形平台上方的侧壁102上设置有透气孔，侧壁102打印完成后，将金属片3固定在环形平台上，将第二光纤光栅传感器602通过第二外接口702穿入侧壁102内并固定在该金属片3上；
(4)将一环形空心杆5固定在侧壁102内侧，将第三光纤光栅传感器603通过第三外接口703穿入环形空心杆5内固定；
(5)将开有流水通孔的底盖4固定在侧壁102的另一端端口。
该基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器通过3D熔融沉积技术设计打印而成，大大缩短了加工周期，简化了制造流程，节约了成本且解决了裸光纤光栅难以直接应用于实际工程的问题。
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 (10)

1.基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于，包括：
主体，包括膜片、侧壁和中间隔板，所述侧壁环绕设置在膜片外圈且所述膜片设置在所述侧壁的一侧端口，所述侧壁环绕形成的空间内设置有中间隔板，所述膜片、侧壁和中间隔板围成第一空腔，位于所述第一空腔外的侧壁内侧设置有环形平台；
L形空心杆，设置为弯折件，所述L形空心杆的一端固定在所述膜片的内侧，所述L形空心杆的另一端固定在位于所述第一空腔的侧壁上，所述L形空心杆内设置有第一光纤光栅传感器；
金属片，固定在所述环形平台的底面，所述金属片上设置有第二光纤光栅传感器；
底盖，设置有流水通孔，所述底盖设置在所述侧壁的另一侧端口，所述底盖、侧壁和中间隔板围成第二空腔。
2.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器还包括环形空心杆，所述环形空心杆内设置有第三光纤光栅传感器，所述环形空心杆设置在所述第一空腔外的侧壁内侧。
3.根据权利要求2所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述侧壁的外侧朝同一方向设置有第一外接口、第二外接口和第三外接口，分别用于所述第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器穿出所述侧壁。
4.根据权利要求2所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述L形空心杆和所述环形空心杆采用金属材质制成。
5.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述膜片朝向第一空腔的一侧设置有第一内接口，位于所述第一空腔的侧壁上设置有第二内接口，所述L形空心杆的一端设置在所述第一内接口内，所述L形空心杆的另一端设置在所述第二内接口内。
6.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述主体还包括密封圈，所述密封圈设置在所述膜片和所述侧壁之间。
7.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：位于所述第二空腔的侧壁上设置有多个透气孔。
8.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅传感器上设置有负热膨胀管。
9.根据权利要求1所述的基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器，其特征在于：所述底盖采用透水石制成。
10.基于3D熔融沉积技术的位移、水压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过3D打印装置制备膜片，膜片上设置有第一内接口，将密封圈套设在膜片的侧边；
(2)通过3D打印装置制备侧壁，在侧壁的内侧设置有第二内接口，侧壁的外侧设置有第一外接口、第二外接口和第三外接口，当第二外接口打印完成后停止打印，将L形空心杆的一端插入第二内接口，再将套有负热膨胀管的第一光纤光栅传感器通过第一外接口插入L形空心杆内固定，随后将带有密封圈的膜片固定在该侧壁的一端端口，该L形空心杆的另一端插入第一内接口；
(3)继续打印侧壁，侧壁的内侧设置有环形平台，环形平台上方的侧壁上设置有透气孔，侧壁打印完成后，将金属片固定在环形平台上，将第二光纤光栅传感器通过第二外接口穿入侧壁内并固定在该金属片上；
(4)将一环形空心杆固定在侧壁内侧，将第三光纤光栅传感器通过第三外接口穿入环形空心杆内固定；
(5)将开有流水通孔的底盖固定在侧壁的另一端端口。
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