CN116164660A - 一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法，包括外壳；外壳内设置有光纤；光纤的外周面上设置有光栅；光纤的下端与连接杆的第一端相连接；连接杆的第一端与光纤之间设置有弹簧片；连接杆的第二端与增益弹簧的第一端相连接；增益弹簧的第二端与顶杆的第一端相连接，顶杆的第二端连接有防脱绳顶头；顶杆位于连接套之内；连接套的上端部与外壳的底端相连接。本发明的光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法，具有具有结构简单、封装工艺简单、测量方便快捷且精准度高等优点。

Description

一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法

技术领域

本发明涉及一种挠度监测设备，尤其是一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法。

背景技术

自上个世纪以来，光纤传感技术不断进步，而由此发展而来的光纤光栅传感器也在国际上崭露头角，成为一种新型的具备通讯、传感、信息处理等技术的基础性器件。与常规的电子类、机械类传感器相比，光纤光栅传感器具有一系列独到之处；体积小，质量轻。将光纤光栅传感器埋入结构内部或安装于结构表面时对所监测的结构本身性能影响很小；测量精度高，传输频带宽。光纤光栅传感器所测得的值为绝对值，提高了测量精度；电绝缘性好，抗电磁干扰。光纤本身是由二氧化硅材料制成，是良好的绝缘体。光纤光栅传感器通过光波传输信息，不会受到电磁干扰；耐久性好。光纤本身就是一种耐腐蚀材料，而光纤表面的涂覆层也是一种对酸碱盐等腐蚀环境不敏感的高分子材料，化学性能稳定；结构形式多样。光纤光栅传感器可以制成各种不同的尺寸形式，根据不同实际工程需要选用；分布式测量。光纤光栅传感器既可以将多个点式传感器串联或并联，又可以在一根光纤上实现对多个参数的连续测量；传输损耗小，稳定性好。光波在光纤内的传输过程中其频率特性不会受到影响，可以实现远距离监控，具有很高的稳定性；测量范围广。可以采用适当手段改变传感器的内部结构制成适用于不同被测量测量的传感器，如应力、应变、加速度、温度、电流等。由于光纤光栅的诸多优点，有着良好的应用前景，得到了各领域专家的关注，被广泛应用于土木工程结构、航空航天、石油、医学、电力等行业中。

申请号为CN202122700762.0的我国实用新型专利公开了一种同时测量桥梁挠度和桥体倾斜光纤光栅传感设备，包括传感设备本体和底板，所述底板顶部一侧固定安装有两组第一固定板，两组所述第一固定板上转动安装有调节螺杆，所述调节螺杆上螺纹安装有两组螺纹套，所述调节螺杆的外壁上分别设置有左旋螺纹和右旋螺纹，两组所述螺纹套上均转动安装有支撑杆。该实用新型通过调节螺杆、螺纹套、支撑杆配合使用能够对传感设备本体的仰角进行调节，在利用光纤光栅传感设备对不同的桥梁进行测量时，更便于使用；通过缓冲组件的设置，在运输光纤光栅传感设备的过程中，能够对光纤光栅传感设备的零件进行保护，防止运输过程中发生颠簸使内部零件损坏，影响到使用。但是，该方案中并未指出如何通过光线和光栅进行测量，也没有提出如何进行桥梁的测量。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法，以对桥梁的梁体的挠度进行快速准确地测量。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其结构特点是，包括外壳；所述外壳内封装有光纤和光栅；

所述光纤的外周面上设置有光栅；所述外壳的内壁上固定设置有光栅固定座；所述光栅固定座上设置有光纤孔；所述光纤从所述光栅固定座的光纤孔之内穿过；所述光栅设置于所述光纤孔之内，位于所述光纤孔的内周面与所述光纤的外周面之间；

所述光纤的下端与连接杆的第一端相连接；所述连接杆的第一端与所述光纤之间设置有弹簧片；

所述连接杆的第二端与增益弹簧的第一端相连接；所述增益弹簧的第二端与顶杆的第一端相连接，所述顶杆的第二端连接有防脱绳顶头；

所述顶杆位于连接套之内；所述连接套的上端部与所述外壳的底端相连接。

本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪的结构特点也在于：

进一步地，所述光栅固定座通过螺钉紧固于所述外壳的内周面上。

进一步地，所述光纤的顶部设置有光纤保护套件，所述光纤保护套件的下端插入所述外壳之内，所述光纤保护套件的上端伸出于所述外壳之外。

进一步地，所述光栅包括扰度光纤和温补光栅；所述扰度光纤和温补光栅分别位于所述光纤的相对的两侧。

进一步地，所述连接杆为L形杆；所述弹簧片的下表面与连接杆的第一端上表面相连接，所述弹簧片上远离所述连接杆第二端的一侧通过螺钉紧固于所述光纤的外周面上。

进一步地，所述连接杆的第二端设置有第一挂孔，所述增益弹簧的第一端穿过所述第一挂孔后与连接杆相连接。

进一步地，所述顶杆的顶部设置有第二挂孔；所述增益弹簧的第二端穿过所述第二挂孔后与顶杆相连接。

进一步地，所述连接套的顶部通过螺纹副与所述外壳相连接。

进一步地，所述顶杆的外周面上设置有第一防脱台阶；所述连接套的内周面上设置有第二防脱台阶。

进一步地，所述防脱绳顶头通过螺钉紧固于所述顶杆的第二端上。

进一步地，所述防脱绳顶头包括一个容纳槽；所述容纳槽下方设置有缺口。

本发明还公开了一种光纤光栅动态挠度监测仪的监测方法，其包括如下步骤：

步骤1：将光纤光栅动态挠度监测仪固定于被测梁体的一侧的侧壁上；

步骤2：在被测桥梁上的桥墩上，固定设置一根钢丝绳；

步骤3：钢丝绳位于光纤光栅动态挠度监测仪的位置的侧壁下方，且所述钢丝绳从所述防脱绳顶头之内穿过；

步骤4：被测桥梁上的梁体收到压力作用向下弯曲变形时，所述外壳与连接套下移；相对地顶杆向靠近增益弹簧的方向移动，增益弹簧缩短；

步骤5：增益弹簧缩短引起连接杆和弹簧片的受力发生变化，进而引起光纤上的光栅发生形变，根据光栅发生的形变计算被测梁体的向下弯曲的挠度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明公开了一种光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法，包括外壳；外壳内设置有光纤；光纤的外周面上设置有光栅；光纤的下端与连接杆的第一端相连接；连接杆的第一端与光纤之间设置有弹簧片；连接杆的第二端与增益弹簧的第一端相连接；增益弹簧的第二端与顶杆的第一端相连接，顶杆的第二端连接有防脱绳顶头；顶杆位于连接套之内；连接套的上端部与外壳的底端相连接。

本发明的光纤光栅动态挠度监测仪，固定在被测梁体上后，在梁体的支撑桥墩上设置钢丝绳，钢丝绳与光纤光栅动态挠度监测仪的防脱绳顶头匹配即可实现被测梁体的挠度的精准测量，具有结构简单、封装工艺简单、测量方便快捷且精准度高等优点，实现了光纤光栅设备精确监测记录挠度的时时变化，填补了光纤光栅设备在动态监测挠度领域的空白。

本发明的光纤光栅动态挠度监测仪及监测方法，具有具有结构简单、封装工艺简单、测量方便快捷且精准度高等优点等优点。

附图说明

图1为本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪的主视图。

图2为本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪的剖视图。

图3为本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪的测量过程的力矩计算的示意图。

图4为本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪的安装于被测桥梁的示意图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明的一种光纤光栅动态挠度监测仪，包括外壳1；所述外壳内封装有光纤3和光栅；

所述光纤的外周面上设置有光栅；所述外壳的内壁上固定设置有光栅固定座10；所述光栅固定座上设置有光纤孔；所述光纤从所述光栅固定座的光纤孔之内穿过；所述光栅设置于所述光纤孔之内，位于所述光纤孔的内周面与所述光纤的外周面之间；

所述光纤的下端与连接杆4的第一端相连接；所述连接杆的第一端与所述光纤之间设置有弹簧片5；

所述连接杆的第二端与增益弹簧6的第一端相连接；所述增益弹簧的第二端与顶杆7的第一端相连接，所述顶杆的第二端连接有防脱绳顶头8；

所述顶杆位于连接套9之内；所述连接套的上端部与所述外壳的底端相连接。

具体实施时，所述光栅固定座10通过螺钉11紧固于所述外壳的内周面上。

具体实施时，所述光纤3的顶部设置有光纤保护套件12，所述光纤保护套件的下端插入所述外壳之内，所述光纤保护套件的上端伸出于所述外壳之外。

具体实施时，所述光栅包括扰度光纤14和温补光栅15；所述扰度光纤和温补光栅分别位于所述光纤的相对的两侧。

具体实施时，所述连接杆为L形杆；所述弹簧片5的下表面与连接杆4的第一端上表面相连接，所述弹簧片上远离所述连接杆第二端的一侧通过螺钉11紧固于所述光纤的外周面上。

具体实施时，所述连接杆4的第二端设置有第一挂孔41，所述增益弹簧6的第一端穿过所述第一挂孔41后与连接杆4相连接。

具体实施时，所述顶杆7的顶部设置有第二挂孔71；所述增益弹簧6的第二端穿过所述第二挂孔71后与顶杆相连接。

具体实施时，所述连接套9的顶部通过螺纹副与所述外壳1相连接。

所述外壳的底端面上设置有螺纹孔，所述连接套的最上面一段为螺纹段，所述连接套的螺纹段与所述外壳的螺纹孔相匹配，从而能够将连接套紧固于所述外壳上，从而对位于连接套之内的增益弹簧和顶杆起保护作用。

具体实施时，所述顶杆7的外周面上设置有第一防脱台阶72；所述连接套9的内周面上设置有第二防脱台阶91。

所述顶杆第一端的外周面上设置有沿着外周面向外延伸的第一防脱台阶，第一防脱台阶的直径比顶杆的直径稍大一些。所述连接套的远离所述外壳的一端的内壁上设置有所述第二防脱台阶。所述在顶杆下落时，第二防脱台阶能正好卡住所述第一防脱台阶，使得顶杆不会从连接套内脱离。

具体实施时，所述防脱绳顶头8通过螺钉11紧固于所述顶杆的第二端上。

具体实施时，所述防脱绳顶头8包括一个容纳槽81；所述容纳槽下方设置有缺口82。

具体测量时，钢丝绳13从缺口82进入容纳槽81之内。

本发明还公开了一种光纤光栅动态挠度监测仪的监测方法，包括如下步骤：

步骤1：将光纤光栅动态挠度监测仪固定于被测梁体的一侧的侧壁上；

步骤2：在被测桥梁上的桥墩16上，固定设置一根钢丝绳13；

步骤3：钢丝绳位于光纤光栅动态挠度监测仪的位置的侧壁下方，且所述钢丝绳从所述防脱绳顶头之内穿过；

步骤4：被测桥梁上的梁体收到压力作用向下弯曲变形时，所述外壳与连接套下移；相对地顶杆向靠近增益弹簧的方向移动，增益弹簧缩短；

步骤5：增益弹簧缩短引起连接杆和弹簧片的受力发生变化，进而引起光纤上的光栅发生形变，根据光栅发生的形变计算被测梁体的向下弯曲的挠度。

本发明的光纤光栅动态挠度监测仪，首创的可动态监测挠度的光纤光栅仪器，其监测桥梁挠度的工作原理如下。

1、被测桥梁的梁体受重力作用向下弯曲变形，带动本发明的光纤光栅动态挠度监测仪的主体向下位移，从而将顶杆压回主体内，进而使挠度光栅受力发生变化，根据挠度光栅的变化即可准确计算出被测梁体的向下弯曲变形情况。温补光栅用于补偿挠度光栅因温度变化而引起的测量误差。

2、具体测量时，钢丝绳两端通过配重块绷紧固定在两侧桥墩上，挠度仪的顶杆及防脱绳顶头（可防止钢丝绳脱出）受重力作用向下脱出挠度仪主体，并落在绷紧的钢丝绳上（为尽可能的减小对钢丝绳的影响，顶杆及防脱绳顶头需要尽量轻；由此挠度仪内部通过杠杆原理，优化了受力结构，使顶杆及防脱绳顶头最大程度的轻量化）；挠度仪内部设有温度光栅，可排除温度对挠度仪的影响，对挠度光栅进行温度补偿；顶杆和连接套上均设有防顶杆脱出台阶，两者相互配合防止顶杆脱出（即限位作用）。

具体实施时，如图4，钢丝绳13的一端通过固定螺栓17紧固于桥梁的其中一个桥墩16上；相邻的另一个桥墩16上设置滑轮组18，钢丝绳13通过滑轮组18后连接一个配重块19，在配重块的重力作用下使得钢丝绳保持绷直的状态。

如图1和图2所示，将光纤和光栅等组件封装在外壳内的过程包括如下步骤：

步骤01：光纤保护套件安装步骤；将光纤保护套件拧紧在外壳顶部对应的螺纹孔上；

步骤02：连接杆与弹簧片焊接步骤；将L型的连接杆与弹簧片搭接部位焊接；

步骤03：连接杆与弹簧片安装步骤；将焊接好的连接杆与弹簧片通过螺钉固定在光栅固定座上；

步骤04：增益弹簧安装步骤；将量程增益弹簧的一端勾入L型的连接杆对应的第一穿孔上；

步骤05：光栅粘结步骤；将挠度光栅（预拉胶接）和温度光栅（预松胶接）通过胶水分别固定在光栅固定座相应的位置上；

步骤06：光栅固定座安装步骤；将光栅固定座通过螺钉固定在外壳内壁的相应位置上，并将光纤两端尾纤按相应位置通过光纤保护套件穿出外壳；

步骤07：增益弹簧与顶杆连接步骤；将量程增益弹簧穿出外壳，并将另一端勾入顶杆对应的第二穿孔上；

步骤08：顶杆与连接套连接步骤；将顶杆至上而下穿过连接套的中心，并将连接套拧紧在外壳对应的螺纹孔上；

步骤09：防脱绳顶头固定步骤；将防脱绳顶头通过螺钉与顶杆连接；

步骤010：外盖2安装步骤；将外盖2盖在外壳上，并用螺钉将外盖于外壳固定。如图1所示。

如图3是测量过程中光栅和顶杆的力矩平衡的示意图。

图3中，可知下式（1）。

F_顶杆×L_顶杆=F_挠度光栅×L_挠度光栅 （1）

式（1）中，F_顶杆为顶杆和增益弹簧对连接杆的向下的拉力；L_顶杆为F_顶杆在水平方向上与基准线的距离；F_顶杆×L_顶杆为顶杆的拉力的力矩。F_挠度光栅为光纤和挠度光栅对弹簧片和连接杆的向上的拉力，L_挠度光栅为F_挠度光栅在水平方向上与基准线的距离；F_挠度光栅×L_挠度光栅为光纤和挠度光栅的拉力的力矩。F_顶杆、L_顶杆、F_挠度光栅和L_挠度光栅等如图3中箭头和尺寸标注所示。

由式子（1）可以得出式子（2）。

F_顶杆/ F_挠度光栅=L_挠度光栅/ L_顶杆 （2）

由图3中可以明显看出，L_挠度光栅是 L_顶杆一部分的长度，即L_挠度光栅<L_顶杆，因此很容易得出结论：F_顶杆<F_挠度光栅。

以上公式（1）和（2），也是本发明的光纤光栅动态挠度监测仪的计算挠度的基本公式。

本发明的光纤光栅动态挠度监测仪，固定在被测梁体上后，在梁体的支撑桥墩上设置钢丝绳，钢丝绳与光纤光栅动态挠度监测仪的防脱绳顶头匹配即可实现被测梁体的挠度的精准测量，具有结构简单、封装工艺简单、测量方便快捷且精准度高等优点，实现了光纤光栅设备精确监测记录挠度的时时变化，填补了光纤光栅设备在动态监测挠度领域的空白。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (12)

1.一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，包括外壳（1）；所述外壳内封装有光纤（3）和光栅；

所述光纤的外周面上设置有光栅；所述外壳的内壁上固定设置有光栅固定座（10）；所述光栅固定座上设置有光纤孔；所述光纤从所述光栅固定座的光纤孔之内穿过；所述光栅设置于所述光纤孔之内，位于所述光纤孔的内周面与所述光纤的外周面之间；

所述光纤的下端与连接杆（4）的第一端相连接；所述连接杆的第一端与所述光纤之间设置有弹簧片（5）；

所述连接杆的第二端与增益弹簧（6）的第一端相连接；所述增益弹簧的第二端与顶杆（7）的第一端相连接，所述顶杆的第二端连接有防脱绳顶头（8）；

所述顶杆位于连接套（9）之内；所述连接套的上端部与所述外壳的底端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述光栅固定座（10）通过螺钉（11）紧固于所述外壳的内周面上。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述光纤（3）的顶部设置有光纤保护套件（12），所述光纤保护套件的下端插入所述外壳之内，所述光纤保护套件的上端伸出于所述外壳之外。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述光栅包括扰度光纤（14）和温补光栅（15）；所述扰度光纤和温补光栅分别位于所述光纤的相对的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述连接杆为L形杆；所述弹簧片（5）的下表面与连接杆（4）的第一端上表面相连接，所述弹簧片上远离所述连接杆第二端的一侧通过螺钉（11）紧固于所述光纤的外周面上。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述连接杆（4）的第二端设置有第一挂孔（41），所述增益弹簧（6）的第一端穿过所述第一挂孔（41）后与连接杆（4）相连接。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述顶杆（7）的顶部设置有第二挂孔（71）；所述增益弹簧（6）的第二端穿过所述第二挂孔（71）后与顶杆相连接。

8.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述连接套（9）的顶部通过螺纹副与所述外壳（1）相连接。

9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述顶杆（7）的外周面上设置有第一防脱台阶（72）；所述连接套（9）的内周面上设置有第二防脱台阶（91）。

10.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述防脱绳顶头（8）通过螺钉（11）紧固于所述顶杆的第二端上。

11.根据权利要求1所述的一种光纤光栅动态挠度监测仪，其特征是，所述防脱绳顶头（8）包括一个容纳槽（81）；所述容纳槽下方设置有缺口（82）。

12.一种根据权利要求1-11其中之一所述的光纤光栅动态挠度监测仪的监测方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：将光纤光栅动态挠度监测仪固定于被测梁体的一侧的侧壁上；

步骤2：在被测桥梁上的桥墩（16）上，固定设置一根钢丝绳（13）；

步骤3：钢丝绳位于光纤光栅动态挠度监测仪的位置的侧壁下方，且所述钢丝绳从所述防脱绳顶头之内穿过；

步骤4：被测桥梁上的梁体收到压力作用向下弯曲变形时，所述外壳与连接套下移；相对地顶杆向靠近增益弹簧的方向移动，增益弹簧缩短；

步骤5：增益弹簧缩短引起连接杆和弹簧片的受力发生变化，进而引起光纤上的光栅发生形变，根据光栅发生的形变计算被测梁体的向下弯曲的挠度。

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