CN113008425B - 一种土体压力和振动一体化感测装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体压力和振动一体化感测装置及其制备方法，该装置主要由主体、振动检测模块和压力检测模块组成。该主体包括底盖、顶盖和侧壁，该底盖的内侧面设置有第一光纤光栅。该振动检测模块包括悬臂梁和金属球，该金属球设置在该悬臂梁的一端，该悬臂梁上设置有第二光纤光栅。该压力检测模块包括两根承力杆、滑动铰链和应变传递元件，两根该承力杆的一端通过滑动铰链设置在该顶盖的内侧面，两根该承力杆的另一端通过应变传递元件分别设置在该第一光纤光栅的两端。该土体压力和振动一体化感测装置通过在内部添加悬臂梁并铺设光纤使其具有了测量土中压力及振动的双重功能。该制备方法缩短了加工周期，降低了制作成本。

Description

一种土体压力和振动一体化感测装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器领域，特别涉及一种土体压力和振动一体化感测装置及其制备方法。

背景技术

随着光纤光栅的不断普及，各类光纤光栅传感器应运而生，并逐渐成为各监测领域的主要监测手段。在过去的十几年间，传感器的研发工作取得了很大的进展，各种形式的应力、位移传感器层出不穷。最近几年，光纤光栅传感器已经发展到可以测温度，周向应力，加速度，总土压力的阶段，并广泛应用于路堤检测，道路桥梁施工中。但当前已经研发出的光纤传感器大都是单一功能的传感器，未有可以同时测量土体压力与震动的传感器。而且光纤光栅式传感器分辨率高，不受电磁干扰，性能稳定，在土木工程上的应用越来越多。

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土体压力和振动一体化感测装置及其制备方法，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：一种土体压力和振动一体化感测装置，包括：

主体，包括底盖、顶盖和侧壁，所述侧壁为环状薄壁，所述底盖设置在所述侧壁的一端，所述顶盖设置在所述侧壁的另一端，所述底盖的内侧面设置有第一光纤光栅；

振动检测模块，包括悬臂梁和金属球，所述悬臂梁包括固定端和悬臂端，所述固定端固定在所述侧壁的内侧，所述金属球设置在所述悬臂端，所述悬臂梁上设置有第二光纤光栅；以及

压力检测模块，包括两根承力杆、滑动铰链和应变传递元件，两根所述承力杆的一端通过滑动铰链设置在所述顶盖的内侧面，两根所述承力杆的另一端通过应变传递元件分别设置在所述第一光纤光栅的两端。

有益效果：该土体压力和振动一体化感测装置通过在内部添加悬臂梁并铺设光纤使其具有了测量土中压力及振动的双重功能。该土体压力和振动一体化感测装置通过三角形结构将顶盖中心处所受外界压力放大后直接作用于第一光纤光栅的两端，第一光纤光栅产生均匀应变，避免了第一光纤光栅反射光谱展宽及啁啾现象。承力杆通过应变传递元件和底盖连接，使该土体压力和振动一体化感测装置的应变传递效率不因应变传递元件与底盖之间的摩擦而受到影响。通过振动检测模块和压力检测模块使得悬臂梁与第二光纤光栅、承力杆与第一光纤光栅充分接触且协同变形，解决了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和难以在土木工程中直接达到实际应用的问题，可有效地起到温度补偿的作用。

进一步地，所述悬臂梁包括第一悬梁和第二悬梁，所述第二光纤光栅设置在所述第一悬梁上，所述第二悬梁上设置有第三光纤光栅，所述第一悬梁和第二悬梁之间设置有预留间隙，其中一根所述承力杆穿过所述预留间隙设置在所述第一光纤光栅的端部。

进一步地，所述第一悬梁和第二悬梁的悬臂端均设置有半圆环壁，所述第一悬梁和所述第二悬梁的半圆环壁组合形成圆环卡槽，所述金属球设置在所述圆环卡槽上。

进一步地，所述侧壁设置有穿出口，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均通过所述穿出口穿出。

进一步地，所述侧壁的外侧穿出口处设置有保护手柄。

进一步地，所述底盖上设置有第一凹槽，所述第一悬梁上设置有第二凹槽，所述第二悬梁上设置有第三凹槽，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅分别依次设置在所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽内。

进一步地，所述应变传递元件为铰链，所述第一光纤光栅通过所述铰链固定在所述第一凹槽内。

进一步地，所述主体设置为圆柱形。

进一步地，所述第一悬梁和第二悬梁均设置为等强度梁，所述第一悬梁和第二悬梁均为扇形，所述第一悬梁和第二悬梁沿固定端至悬浮端逐渐缩窄。

一种土体压力和振动一体化感测装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过3D打印装置打印独立的悬臂梁，悬臂梁包括第一悬梁和第二悬梁，第一悬梁和第二悬梁的悬臂端组合形成环形卡槽，将金属球安装在环形卡槽内，第一悬梁上设置有第二凹槽，第二悬梁上设置有第三凹槽，将第二光纤光栅和第三光纤光栅分别铺设在第二凹槽和第三凹槽内；

(2)通过3D打印装置打印主体，先打印底盖，底盖上设置有第一凹槽，开始打印侧壁时，暂停打印，将第一光纤光栅通过铰链置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅进行固定，继续打印侧壁；

(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安装卡槽，安装卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动检测模块固定在安装卡槽中，继续打印；

(4)将两根承力杆的一端分别与应变传递元件的铰链连接，其中的一根承力杆穿过第一悬梁和第二悬梁中间的预留间隙，两根承力杆的另一端通过滑动铰链连接；

(5)继续打印顶盖，将顶盖与侧壁组装。

有益效果：该土体压力和振动一体化感测装置通过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；

图2为本发明实施例的内部剖面图；

图3为本发明实施例的整体结构示意图。

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至图3，本发明实施例提供一种土体压力和振动一体化感测装置，主要由主体、振动检测模块和压力检测模块组成。该主体包括底盖101、顶盖103和侧壁102，该侧壁102为环状薄壁，该底盖101设置在该侧壁102的一端，该顶盖103设置在该侧壁102的另一端，该底盖101的内侧面设置有第一光纤光栅。该振动检测模块包括悬臂梁201和金属球202，该悬臂梁201包括固定端和悬臂端，该固定端固定在该侧壁102的内侧，该金属球202设置在该悬臂端，该悬臂梁201上设置有第二光纤光栅。该压力检测模块包括两根承力杆301、滑动铰链和应变传递元件302，两根该承力杆301的一端通过滑动铰链设置在该顶盖103的内侧面，两根该承力杆301的另一端通过应变传递元件302分别设置在该第一光纤光栅的两端。该土体压力和振动一体化感测装置通过在内部添加悬臂梁201并铺设光纤使其具有了测量土中压力及振动的双重功能。该土体压力和振动一体化感测装置通过三角形结构将顶盖103中心处所受外界压力放大后直接作用于第一光纤光栅的两端，第一光纤光栅产生均匀应变，避免了第一光纤光栅反射光谱展宽及啁啾现象。通过振动检测模块和压力检测模块使得悬臂梁201与第二光纤光栅、承力杆301与第一光纤光栅充分接触且协同变形，解决了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和难以在土木工程中直接达到实际应用的问题。

优选的，该悬臂梁201包括第一悬梁和第二悬梁，该第二光纤光栅设置在该第一悬梁上，该第二悬梁上设置有第三光纤光栅，该第一悬梁和第二悬梁之间设置有预留间隙，其中一根该承力杆301穿过该预留间隙设置在该第一光纤光栅的端部。通过第二光纤光栅和第三光纤光栅同时设置，可有效地起到温度补偿的作用。

优选的，该第一悬梁和第二悬梁的悬臂端均设置有半圆环壁，该第一悬梁和该第二悬梁的半圆环壁组合形成圆环卡槽，该金属球202设置在该圆环卡槽上。具体的，该圆环卡槽的直径小于该金属球202的直径，该金属球202安装在圆环卡槽内，该第二光纤光栅和第三光纤光栅分别固定在第一悬梁和第二悬梁上，当该土体压力和振动一体化感测装置受到振动时，该金属球202最先开始振动，从而带动第一光纤光栅和第二光纤光栅协同振动，从而实现振动的检测。

优选的，该侧壁102设置有穿出口，该第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均通过该穿出口穿出。便于将第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅以同一方向接入光纤光栅解调仪。

优选的，该侧壁102的外侧穿出口处设置有保护手柄4。该第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅通过该保护手柄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、第二光纤光栅和第三光纤光栅的穿出部分受到损伤。

优选的，该底盖101上设置有第一凹槽，该第一悬梁上设置有第二凹槽，该第二悬梁上设置有第三凹槽，该第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅分别依次设置在该第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽内。设置第一凹槽使得第一光纤光栅内嵌于底盖101，能够稳定的进行固定，有利于整体结构的一体化。设置第二凹槽和第三凹槽使得第二光纤光栅和第三光纤光栅内嵌于悬臂梁201内，能够稳定的进行固定，有利于整体结构的一体化。

优选的，该应变传递元件302为铰链，该第一光纤光栅通过该铰链固定在该第一凹槽内。该承力杆301通过铰链和底盖101连接，使该土体压力和振动一体化感测装置的应变传递效率不因应变传递元件302与底盖101之间的摩擦而受到影响，能更加准确的得到上覆土体的压力。

优选的，该主体设置为圆柱形。

优选的，该第一悬梁和第二悬梁均设置为等强度梁，该第一悬梁和第二悬梁均为扇形，该第一悬梁和第二悬梁沿固定端至悬浮端逐渐缩窄。将固定端设置较宽有利于该悬臂梁201的稳定。该悬臂端收窄使得该金属球202的振动传递集中，便于精准测量，且使得该第二光纤光栅、第三光纤光栅应变均匀。

本发明实施例还提供一种土体压力和振动一体化感测装置的制备方法，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包括第一悬梁和第二悬梁，第一悬梁和第二悬梁的悬臂端组合形成环形卡槽，将金属球202安装在环形卡槽内，第一悬梁上设置有第二凹槽，第二悬梁上设置有第三凹槽，将第二光纤光栅和第三光纤光栅分别铺设在第二凹槽和第三凹槽内；

(2)通过3D打印装置打印主体，先打印底盖101，底盖101上设置有第一凹槽，开始打印侧壁102时，暂停打印，将第一光纤光栅通过铰链置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅进行固定，继续打印侧壁102；

(3)侧壁102与保护手柄4同时打印，位于手柄位置处的侧壁102内侧设置有安装卡槽，安装卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动检测模块固定在安装卡槽中，继续打印；

(4)将两根承力杆301的一端分别与应变传递元件302的铰链连接，其中的一根承力杆301穿过第一悬梁和第二悬梁中间的预留间隙，两根承力杆301的另一端通过滑动铰链连接；

(5)继续打印顶盖103，将顶盖103与侧壁102组装。

该土体压力和振动一体化感测装置通过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，在均匀外界压力P的作用下，顶盖103中心产生的径向应变为：

式中E为顶盖103的弹性模量，v为顶盖103泊松比，h为顶盖103厚度，R为顶盖103半径。

假设顶盖103与应变传递元件302之间的应变传递效率为100％，当顶盖103中心受外界压力产生应变为ε，等腰三角形底边上的高的应变也为ε。在应变传递过程中，应变ε的作用使等腰三角形的底的一半L1和等腰三角形底边高H1的长度改变，但三角形斜边长度不变，可得：

式中ε_L1为L1方向上的应变。

直角边L1即光栅的轴向应变为：

将(3)用泰勒公式展开并忽略中高次项，可得：

当第一光纤光栅只受到外界轴向均匀作用力时，光栅轴向应变与中心波长之间的对应关系为：

式中P_e为光纤的有效弹光系数，λ为FBG的中心波长。

结合(1)、(4)、(5)式，可得顶盖103所受外界压力p与第一光纤光栅中心波长的变化量Δλ的对应关系为：

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)

1.一种土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于，包括：

主体，包括底盖、顶盖和侧壁，所述侧壁为环状薄壁，所述底盖设置在所述侧壁的一端，所述顶盖设置在所述侧壁的另一端，所述底盖的内侧面设置有第一光纤光栅；振动检测模块，包括悬臂梁和金属球，所述悬臂梁包括固定端和悬臂端，所述固定端固定在所述侧壁的内侧，所述金属球设置在所述悬臂端，所述悬臂梁上设置有第二光纤光栅；以及

压力检测模块，包括两根承力杆、滑动铰链和应变传递元件，两根所述承力杆的一端通过滑动铰链设置在所述顶盖的内侧面，两根所述承力杆的另一端通过应变传递元件分别设置在所述第一光纤光栅的两端。

2.根据权利要求1所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述悬臂梁包括第一悬梁和第二悬梁，所述第二光纤光栅设置在所述第一悬梁上，所述第二悬梁上设置有第三光纤光栅，所述第一悬梁和第二悬梁之间设置有预留间隙，其中一根所述承力杆穿过所述预留间隙设置在所述第一光纤光栅的端部。

3.根据权利要求2所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述第一悬梁和第二悬梁的悬臂端均设置有半圆环壁，所述第一悬梁和所述第二悬梁的半圆环壁组合形成圆环卡槽，所述金属球设置在所述圆环卡槽上。

4.根据权利要求2所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述侧壁设置有穿出口，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅均通过所述穿出口穿出。

5.根据权利要求4所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述侧壁的外侧穿出口处设置有保护手柄。

6.根据权利要求2所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述底盖上设置有第一凹槽，所述第一悬梁上设置有第二凹槽，所述第二悬梁上设置有第三凹槽，所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅分别依次设置在所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽内。

7.根据权利要求6所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述应变传递元件为铰链，所述第一光纤光栅通过所述铰链固定在所述第一凹槽内。

8.根据权利要求2-7任一项所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述主体设置为圆柱形。

9.根据权利要求8所述的土体压力和振动一体化感测装置，其特征在于：所述第一悬梁和第二悬梁均设置为等强度梁，所述第一悬梁和第二悬梁均为扇形，所述第一悬梁和第二悬梁沿固定端至悬浮端逐渐缩窄。

10.一种土体压力和振动一体化感测装置的制备方法，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，悬臂梁包括第一悬梁和第二悬梁，第一悬梁和第二悬梁的悬臂端组合形成环形卡槽，将金属球安装在环形卡槽内，第一悬梁上设置有第二凹槽，第二悬梁上设置有第三凹槽，将第二光纤光栅和第三光纤光栅分别铺设在第二凹槽和第三凹槽内；

(2)通过3D打印装置打印主体，先打印底盖，底盖上设置有第一凹槽，开始打印侧壁时，暂停打印，将第一光纤光栅通过铰链置于第一凹槽内，并确定好位置，将第一光纤光栅进行固定，继续打印侧壁；

(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安装卡槽，安装卡槽出现时，暂停打印，将安装好的振动检测模块固定在安装卡槽中，继续打印；

(4)将两根承力杆的一端分别与应变传递元件的铰链连接，其中的一根承力杆穿过第一悬梁和第二悬梁中间的预留间隙，两根承力杆的另一端通过滑动铰链连接；

(5)继续打印顶盖，将顶盖与侧壁组装。

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