CN201266096Y - 光纤光栅水工渗压传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种光纤光栅水工渗压传感器，其包括封装壳、中心柱、光纤，封装壳为扁椭球形空心壳体，中心柱设置于封装壳中心，其内埋有光纤光栅。中心柱与封装壳之间焊接固定，封装壳的外部还串接有测量环境温度的光栅，其波长与中心柱内的光纤光栅波长不等，且不受应力作用，用于测量环境温度，从而实现应变与温度交叉敏感的分离。本实用新型可抗电磁干扰、耐久可靠、精度高、易于遥测并可进行准分布式检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型大坝及其他水工建筑物渗压观测传感器，尤其是光纤光栅水工渗压传感器，属高新技术。
背景技术
世界上40％以上的水库大坝的溃坝事故是由库水渗流所致。渗流监测是大坝安全监测的一个关键项目，对保障大坝安全具有重要意义。
工程实践表明，传统的电测点式渗压计具有相当的局限性，主要表现在：仪器的长期稳定性差；精度不高，分辨率较低；难以做到复用和进行远距离遥测，漏检、误检多；渗压计埋设较困难等。另一方面，随着一大批世界级的高坝在我国的相继开工、建成，迫切需要实现传统大坝安全监测技术的更新换代。
光纤光栅传感技术是近年来发展最快的传感技术，已广泛应用于航天、土木、电力、石油、化工等各个领域。基于最新发展的光纤光栅传感技术，研制能适用于水利土木工程的性能优越的高技术渗压传感。以期对大坝工程的内部渗流状况实现连续、立体、灵敏、可靠的监测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种光纤光栅水工渗压传感器，用于水利、土木工程中的渗透压力观测，具有抗电磁干扰、耐久可靠、精度高、易于遥测并可进行准分布式检测等众多优点。
为达到以上目的，本实用新型的解决方案是：
一种光纤光栅水工渗压传感器，其包括封装壳、中心柱、光纤，封装壳为扁椭球形壳体，中心柱设置于封装壳中心，其内埋有光纤光栅。
进一步，该中心柱采用硼硅酸盐PYREX类玻璃或其它低弹模材料。
该封装壳为空心壳体，其与中心柱焊接组装。
该封装壳的外部还串接有测量环境温度的光栅，其波长与中心柱内的光纤光栅波长不等。
该扁椭球形的封装壳厚度为1-2mm，其长轴长度≥80mm，短轴长度≤15mm，中心柱直径为1-2mm。
该传感器的参数为≥2000Kpa，分辨率为≤0.05％F.S，精度为≤0.02％F.S，温度范围为-20℃～+80℃。
由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下有益效果：
具有结构简单、制作简便、防雷击及电磁干扰、耐久可靠、精度高、易于遥测、可实现准分布检测等显著特点。
附图说明
图1是光纤光栅水位传感器结构示意图。
图2是优化的结构型式。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，本实用新型传感器优化设计为扁椭球形壳体1，壳体1中央安装一圆柱2，圆柱2中埋有光纤3光栅4。椭球形壳1的主要功能是用于压力增敏，将其外表面受到的水应力传递到中心柱2，引起中心柱2和其发生同步变形，从而调制中心柱2中光纤3光栅4中心反射波长的变化。测试波长移动大小，即可推知渗水压力大小。
对于水库和河道等大型工程，可以假定传感器所置局部工程环境温度相同。据此，在传感器封装壳1外部串联一光栅。该光栅与中心柱2内光纤3光栅4波长不等，且不受应力作用，用于测量环境温度，从而实现应变与温度交叉敏感的分离。
为获得足够的检测灵敏性，需对传感器的材料、几何构型和规格进行优选，优化目标为中心柱2的轴向应变。材料选用与光纤纤芯力学性质相近的硼硅酸盐PYREX类玻璃，以降低材料力学特性差异引起的非线性效应，以及应变传递损失，同时易于传感器的加工制作。材料也可选用其它低弹模材料。
结构型式和规格的优化，是基于对结构的应力-应变分析。分析采用三维有限单元法，以200m高水头压力作为最大计算控制荷载，以封装壳1内中心柱2最大轴向应变，优化分析传感器的型式和尺寸规格，有限元模型及结构优化分析结果见图2及下表1。
表1 优化的结构型式和规格
传感器制作。根据分析计算结果，首先分别制作传感器的封装壳1和中心柱2，然后将两者焊接组装，最后将光纤3光栅4封入中心柱2，即制成光纤传感器。
传感器所受水压与中心柱应变关系。水头h取50m、100m、150m，分别计算中心柱2相应的应变值ε，计入以上水头200m时的情况，得水位和中心柱2应变之间的关系见表2。由表2可见，两者成线性关系。
灵敏性检测。将模型放入高度大于1m的量筒底部，通过调节量筒内水位高度，测试光纤光栅中心反射波长和水位之间的变化关系。波长解调采用MicronOptics公司生产的Si425-500。取光纤光栅的中心反射波长选为1550nm，得测试结果列与下表3。
表2 传感器水头和中心柱应变关系
表3 传感器灵敏性测试结果
应变与温度交叉敏感解决方案。对于水库和河道等大型工程，可以假定传感器所置局部工程环境温度相同。据此，在传感器封装壳1外部串联一光栅。该光栅与中心柱2内光纤3光栅4波长不等，且不受应力作用，用于测量环境温度，从而实现应变与温度交叉敏感的分离。
传感器主要性能指标列于下表4：
表4 传感器主要性能指标
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1、一种光纤光栅水工渗压传感器，其包括封装壳、中心柱、光纤，其特征在于：封装壳为扁椭球形壳体，中心柱设置于封装壳中心，其内埋有光纤光栅。
2、如权利要求1所述的光纤光栅水工渗压传感器，其特征在于：该中心柱采用硼硅酸盐PYREX类玻璃或低弹模材料。
3、如权利要求1所述的光纤光栅水工渗压传感器，其特征在于：该封装壳为空心壳体，其与中心柱焊接组装。
4、如权利要求1所述的光纤光栅水工渗压传感器，其特征在于：该封装壳的外部还串接有测量环境温度的光栅，其波长与中心柱内的光纤光栅波长不等。
5、如权利要求1所述的光纤光栅水工渗压传感器，其特征在于：该扁椭球形的封装壳厚度为1-2mm，其长轴长度≥80mm，短轴长度≤15mm，中心柱直径为1-2mm。
6、如权利要求1所述的光纤光栅水工渗压传感器，其特征在于：该传感器的参数为≥2000Kpa，分辨率为≤0.05％F.S，精度为≤0.02％F.S，温度范围为-20℃～+80℃。
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| CNU2008201512280U CN201266096Y (zh) | 2008-07-25 | 2008-07-25 | 光纤光栅水工渗压传感器 |
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| CNU2008201512280U CN201266096Y (zh) | 2008-07-25 | 2008-07-25 | 光纤光栅水工渗压传感器 |
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| CN201266096Y true CN201266096Y (zh) | 2009-07-01 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN105739039A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-07-06 | 河海大学 | 一种渗流性态监测用传感光缆及使用方法 |
| US10571359B2 (en) * | 2015-06-19 | 2020-02-25 | Hohai University | Hydraulic structure seepage property distributed optical fiber sensing integrated system and method |
| CN112050748A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-08 | 华中科技大学 | 一种环形结构收敛监测装置及监测方法 |
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2008
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