CN202582504U - 反射式光栅应变计 - Google Patents

Abstract

一种反射式光栅应变计，在传感器壳体（9）的底部有一滑槽（8），标尺光栅（1）与滑杆（5）相连可在滑槽（8）中沿轴向运动，标尺光栅（1）上方固定有反射式相位光栅（2），反射式相位光栅（2）上设有相交连通的入射光线孔和反射光线孔，入射光线孔上设有发光二极管（3），反射光线孔上设有四象限硅光电池（4）；滑杆（5）伸出传感器壳体（9）至指定标距，滑杆（5）端部及传感器壳体（9）均通过磁性底座固定到被测物体表面，安装前用定位栓（6）固定滑杆（5）位置。测量时电路自动将位移值除以固定标距而显示测点的应变值。本实用新型安装拆卸方便，可重复使用，有效节约了测量成本而不降低测量的准确性。

Description

反射式光栅应变计

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及一种可重复使用的反射式光栅应变传感器。

背景技术

在各工程领域中，无论是科学研究实验还是实际工程监测，应变(或应力)是反映结构状态的一个至关重要的参数，准确地测量结构应变和长期动态的应变监测对科学实验和工程安全至关重要。目前常用的应变测量方法主要有：电测法、压电法、振弦法和光测法。

电测法是应用最广泛的一种方法。最常见的电阻应变片，就是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化，测定电阻变化值即可算出相应的应变增量。其优点是：分辨率高、精度高、尺寸小、使用方便；不足之处在于：寿命短、抗干扰能力差、只能测量相对量即应变增量，不适于作长期监测。

压电法是基于某些材料的压电效应而提出的。压电材料(如压电陶瓷或晶体)在受力时会产生电压(或电流)，测定该电压即可求出所受压力、应力和应变。由于电流不能保存，因而只能测增量，不能用于长期静力测量，适用于动力测试。

振弦法是利用钢弦所受的轴力与横向自振频率的一一对应关系，通过测量自振频率来推算出弦中轴力、应力和应变。振弦式应变计在钢筋混凝土结构的应变测量中已得到较多的应用。其优点是：稳定性好、工作可靠、能同时测量测点的温度；但是，振弦式应变计中的钢弦在长期荷载作用下易产生松弛，不宜用作长期测量，且传感器尺寸较大。

经典的光测法包括光弹性法和光全息法等，已得到较广泛的应用，但这些方法一般只能用于模型尤其是透明模型试验，难以用于实际工程的内部应力测量。近年来出现的新型智能传感元件——光纤传感器，为结构监测的发展注入了新的活力。

光纤应变传感技术（包括光纤光栅传感技术）是一种极有前途的应变传感技术，具有测量精度高、抗干扰能力强、能实现分布式测量等优点，但目前还存在一些缺点：光纤传感器对生产工艺要求较严，成本较高，且其解调仪器价格昂贵，在长期测量中的效果还有待考证。另外，它在埋设方面也有一定困难。

光栅测量技术目前主要应用于位移的精密计量，其原理是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移，其核心部件是光栅副，即标尺光栅和指示光栅。莫尔条纹起放大的作用，实际结构微小的位移就能引起莫尔条纹较大的移动，通过光电接收元件测量莫尔条纹的移动量即可得出实际物体的位移。计量光栅具有测量精度高、读数速率高、分辨率高和读数易实现数字化、自动化等优点并且稳定可靠，在位移传感、自动控制领域得到了广泛的应用。

上述各种应变测量方法各有其优缺点。现以普通钢筋混凝土结构为应变测量对象，从传感器的安装使用方便性、经济性和测量准确性上加以分析总结：电阻应变片结构简单、安装方便、价格较便宜但为一次性使用，测量精度高，但对于混凝土结构由于粗骨料的存在而测量一个相对较长标距内的平均应变更为合适，此时电阻应变片的优势不明显；压电法结构较简单、价格较贵，精度较高，但由于无法用于长期静力测量而使用上受到限制；光纤应变传感器测量精度高且能实现分布式测量，表面安装式可实现重复使用，但目前埋设使用有困难、价格昂贵；振弦式应变传感器尺寸较大，适合混凝土结构的应变测量，表面安装式可实现重复使用，经济性较好，精度较高。

对于可重复使用的表面安装式光纤应变传感器以及振弦式应变传感器，都需要将结构的应变传递到传感器，使传感器与测点具有相同的应变才能准确测量。目前传感器表面安装时都是通过两端支架安装在被测结构上，端支架又是通过粘结剂、螺栓或焊接固定在混凝土或钢结构表面上，螺栓钻孔或焊接本身会对结构造成影响。由于钢管封装的光纤传感器及振弦式传感器自身刚度较大，故传递应变时支架会有相对较大的弯曲或剪切变形及滑移，从而导致结构表面的应变通过支架传递到传感器存在应变传递的损失，而由于加工及实际安装的偏差，准确的进行一致性标定是不可能的。故其应变测量准确性受其应变传递率的影响。

发明内容

本实用新型的目的是综合各种应变传感器的优点，提供一种适用于表面应变测量的安装简单、使用方便、价格便宜、可重复使用并且测量准确的反射式光栅应变传感器。

本实用新型的技术特征是：它主要包括标尺光栅、反射式相位光栅、发光二极管、四象限硅光电池、滑杆、定位栓和磁性底座；在传感器壳体的底部有一滑槽，标尺光栅与滑杆相连可在滑槽中沿轴向运动，标尺光栅上方固定有反射式相位光栅，反射式相位光栅上设有相交连通的一入射光线孔和一反射光线孔，在入射光线孔上设有发光二极管，反射光线孔上设有四象限硅光电池；可根据量程的要求选择不同长度的标尺光栅，滑杆伸出传感器壳体至指定标距，滑杆端部及另一端的传感器壳体均通过磁性底座固定到被测物体表面，安装前两端底座中心点的间距为固定标距，此时用定位栓穿过传感器壳体及滑杆以固定滑杆位置，传感器安装后将读数器清零再将定位栓拔出即可进行测量。

发光二极管和四象限硅光电池之间由光通道连通，当发光二极管发射光线时，入射在反射式相位光栅上，将反射式相位光栅的栅线像投射到标尺光栅表面，再将两光栅的栅线重合在一起的像投射到四象限硅光电池上。当标尺光栅和反射式相位光栅发生相对运动时，产生相应的莫尔条纹，于是四象限硅光电池输出四相信号，通过四象限硅光电池的旋转调节，使四相信号相邻相位差可严格控制在90度，在示波器上可以观察到理想的李萨如圆。

当被测物体表面发生变形时将同时通过两磁性底座带动滑杆与传感器壳体发生相对运动，即带动标尺光栅和反射式相位光栅发生相对运动，其反射产生的莫尔条纹具有放大作用，故极细微的移动对应的莫尔条纹移动量也可轻易通过硅光电池加以分辨，若再对硅光电池接收的莫尔条纹的电信号进行电子细分，则可达到更高的精度要求。将测量出的位移值除以传感器的固定标距长度值即得到了被测点的应变值。

本实用新型的有益效果是：结构简单、安装拆卸方便（测量钢结构的应变直接将磁性底座吸附在表面即可，测量混凝土结构需先在结构表面用强力胶粘贴两块小铁板然后将传感器的磁性底座吸附在小铁板上；拆卸时直接摘下即可）、经济性能好、可重复使用且无论安装还是测量对被测物体本身影响很小（无需钻孔或焊接，传感器的滑杆及标尺光栅移动时只有极小的滑动阻力），测量精度较高、应变传递率高、读数速率高、读数易实现数字化及自动化、稳定可靠、能准确反应测点的真实应变值。

附图说明

图1为本实用新型构造图。

图2 为本实用新型俯视图。

  图3 为反射式相位光栅工作原理示意图。

图中：1.标尺光栅，2.反射式相位光栅，3.发光二极管，4.四象限硅光电池，5.滑杆，6.定位栓，7.磁性底座A，8.滑槽，9.传感器壳体，10.小铁块A，11.待测结构，12.磁性底座B，13.小铁块B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

 如图，以测混凝土结构表面应变为例。安装前首先将测点附近混凝土表面清洁干净，然后按传感器的标距在结构表面安装传感器底座位置划线，用强力胶将两块与相应传感器底座大小相近的小铁块10、13粘贴在指定位置，胶粘剂干硬后即可将传感器的磁性底座7和12分别吸附在相应小铁块上，完成安装过程。

进行测量时，先将本光栅应变计的读数仪读数清零，然后将传感器的定位栓6拔出，这时传感器的滑杆5及指示光栅1即可沿滑槽8轴向自由滑动，当被测结构发生变形时，在传感器两端点处结构表面会发生相应的位置移动，通过粘贴其上的小铁块及磁性底座带动滑杆5与传感器壳体9发生相对移动，连接滑杆的指示光栅1与固定在传感器壳体上的反射式相位光栅2的相对位移量与其在发光二极管3照射下反射产生的莫尔条纹的位移量有一一对应的关系，微小的位移经过相位光栅系统产生莫尔条纹的放大作用后被硅光电池4接收，读数仪系统内部电路将测得的位移值除以传感器标距长度值即得到测点的应变值。

测量完成后，由于传感器与被测结构仅通过磁性底座吸附，故可直接摘下。摘下传感器后将滑杆推至标距位置再将定位栓插入以固定传感器滑杆，拆卸完成。下次再测量时重复上述步骤即可。

综上所述，可见本实用新型使用方便，可重复使用，有效节约了测量成本而不降低测量的准确性。本实例仅为对混凝土结构应变测量的一种具体实施方案，但本实用新型的具体保护范围不受此限，请以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1. 一种反射式光栅应变计，它主要包括标尺光栅、反射式相位光栅、发光二级管、四象限硅光电池、滑杆、定位栓和磁性底座；其特征在于：在传感器壳体（9）的底部有一滑槽（8），标尺光栅（1）与滑杆（5）相连可在滑槽（8）中沿轴向运动，标尺光栅（1）上方固定有反射式相位光栅（2），反射式相位光栅（2）上设有相交连通的一入射光线孔和一反射光线孔，在入射光线孔上设有发光二极管（3），反射光线孔上设有四象限硅光电池（4）；滑杆（5）伸出传感器壳体（9）至指定标距，滑杆（5）端部及另一端的传感器壳体（9）均通过磁性底座固定在被测物体表面，安装前两端底座中心点的间距为固定标距，此时用定位栓（6）穿过传感器壳体（9）及滑杆（5）以固定滑杆位置。

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