CN204613089U - 基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，包括基体、活塞质量块、吸水材料、光纤和水平梁，基体内设置第一空腔和第二空腔，基体一侧壁上设置第一通道，基体另一侧壁上设置第二通道，水平梁一端插入第一通道内，水平梁另一端插入第二通道内，光纤上刻有布拉格光栅，光纤一端通过光纤耦合器连接光源，光纤另一端伸入第一通道并穿过水平梁进而从第二通道伸出，活塞质量块下端与水平梁接触，活塞质量块上端与吸水材料接触，基体上端开设有与第二空腔相通的开口，基体上端设置盖板，盖板上开设进水孔。该土层含水量测量结构的结构紧凑,通过测量波长漂移量的变化可间接测量被测土层含水量变化,可由3D打印机分别打印。

Description

基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构

技术领域

本实用新型涉及一种含水量测量结构，具体是涉及一种基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构。

背景技术

湿度或含水量是一个重要的物理量，在航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业、矿业、建筑等行业对湿度和含水量的要求都非常严格。特别是地下工程，对地层沉降的监测尤为重要，而地层沉降的一个主要因素就是含水层失水固结后被压缩，导致沉降。因此对地层不同深处含水层含水量的准确监测，能预测沉降状况，通过注水等方式及时治理，避免安全事故的发生，对安全生产和人员安全都具有重要意义。

目前，针对空气湿度或含水量有多种测量设备和方法，用湿敏材料可分为电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器；按测量原理可分为电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器，湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些，但对于地层深处土层含水量的测量都不适用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构。该土层含水量测量结构的结构紧凑,通过测量波长漂移量的变化可间接测量被测土层含水量变化,可由3D打印机分别打印，具有体积小，全固态，抗腐蚀，抗电磁干扰，成本低，结构简单，免维护等优点，尤其适合嵌入式、准分布式监测的应用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：包括基体、活塞质量块、吸水材料、光纤和水平梁，所述基体内设置有第一空腔和位于所述第一空腔上方的第二空腔，所述第一空腔与第二空腔相通，所述基体的一侧壁上设置有沿基体长度方向延伸且通向所述第二空腔的第一通道，所述基体的另一侧壁上设置有沿基体长度方向延伸且通向所述第二空腔的第二通道，所述水平梁的一端插入所述第一通道内，所述水平梁的另一端插入所述第二通道内，所述光纤上刻有布拉格光栅，所述光纤的一端通过光纤耦合器连接有光源，所述光纤的另一端伸入所述第一通道并穿过所述水平梁进而从所述第二通道伸出，所述活塞质量块安装在所述第一空腔内，所述吸水材料盛装在所述第二空腔内，所述活塞质量块的下端与所述水平梁相接触，所述活塞质量块的上端与吸水材料相接触，所述基体的上端开设有与所述第二空腔相通的开口，所述基体的上端设置有用于封堵所述开口的盖板，所述盖板上开设有多个供外界水进入所述吸水材料的进水孔。

上述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述水平梁左侧面的中部向所述水平梁的中心轴线方向靠近以形成第一曲面，所述水平梁右侧面的中部向所述水平梁的中心轴线方向靠近以形成第二曲面。

上述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述活塞质量块的外周面上设置有外檐，所述第二空腔的腔壁上设置有用于与所述外檐呈台阶面配合的挡块。

上述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述外檐一体设置在所述活塞质量块上。

上述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述盖板通过螺钉与所述基体连接；或者所述盖板与所述基体粘接连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单，设计新颖合理。

2、本实用新型通过对水平梁的特殊设计，即在水平梁上设置第一曲面和第二曲面，使得水平梁形成两头大中间窄细的结构，其能够使得水平梁的弯曲变形的幅度增大，并且提高了水平梁弯曲变形的效率。

3、本实用新型通过在活塞质量块上设置与挡块台阶面配合的外檐，从而减少了水平梁所承担的活塞质量块的重量。

4、本实用新型的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本实用新型结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，测量效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型基体的结构示意图。

图3为本实用新型水平梁的结构示意图。

附图标记说明:

1—基体；             1-1—第一通道；        1-2—第二通道；

1-3—开口；           2—吸水材料；          3—螺钉；

4—盖板；             5—进水孔；            6—活塞质量块；

6-1—外檐；           7—光纤；              8—光纤耦合器；

9—光源；             10—水平梁；           10-1—第一曲面；

10-2—第二曲面；      11—布拉格光栅；     12—第一空腔；

13—挡块；            14—第二空腔。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，包括基体1、活塞质量块6、吸水材料2、光纤7和水平梁10，所述基体1内设置有第一空腔12和位于所述第一空腔12上方的第二空腔14，所述第一空腔12与第二空腔14相通，所述基体1的一侧壁上设置有沿基体长度方向延伸且通向所述第二空腔14的第一通道1-1，所述基体1的另一侧壁上设置有沿基体长度方向延伸且通向所述第二空腔14的第二通道1-2，所述水平梁10的一端插入所述第一通道1-1内，所述水平梁10的另一端插入所述第二通道1-2内，所述光纤7上刻有布拉格光栅11，所述光纤7的一端通过光纤耦合器8连接有光源9，所述光纤7的另一端伸入所述第一通道1-1并穿过所述水平梁10进而从所述第二通道1-2伸出，所述活塞质量块6安装在所述第一空腔12内，所述吸水材料2盛装在所述第二空腔14内，所述活塞质量块6的下端与所述水平梁10相接触，所述活塞质量块6的上端与吸水材料2相接触，所述基体1的上端开设有与所述第二空腔14相通的开口1-3，所述基体1的上端设置有用于封堵所述开口1-3的盖板4，所述盖板4上开设有多个供外界水进入所述吸水材料2的进水孔5。

本实施例中，该土层含水量测量结构在使用时，外界水汽通过进水孔5进入基体1并渗入吸水材料2，吸水材料2吸入水汽后产生膨胀，并对活塞质量块6施加压力，活塞质量块6进而对水平梁10产生压力，使水平梁10产生弯曲变形，进而水平梁10变形时会对所述光纤7施加拉力，在所述拉力的作用下，布拉格光栅11反射光的中心波长将发生漂移，通过标准实验可建立波长漂移与含水量关系曲线，即通过检测布拉格光栅11的波长漂移可间接测量被测土层含水量变化。

当湿度减小时，吸水材料2将失去水分子，体积减小，活塞质量块6受压减小进而对水平梁10的压力也减小，在光纤7两端拉力也将减小，光纤7两端拉力的变化将导致光纤7波长漂移，该波长漂移大小与吸水材料2吸收水分子多少成线性关系。

本实施例中，所述水平梁10采用低碳钢制成。所述吸水材料2采用聚酰亚胺粉末。

该湿度传感结构的结构紧凑,通过测量波长漂移量的变化可间接测量被测土层含水量变化,可由3D打印机分别打印，具有体积小，全固态，抗腐蚀，抗电磁干扰，成本低，结构简单，免维护等优点，尤其适合嵌入式、准分布式监测的应用。

如图3所示，所述水平梁10左侧面的中部向所述水平梁10的中心轴线方向靠近并形成第一曲面10-1，所述水平梁10右侧面的中部向所述水平梁10的中心轴线方向靠近并形成第二曲面10-2。

本实施例中，通过对水平梁10的特殊设计，即在水平梁10上设置第一曲面10-1和第二曲面10-2，能够使得水平梁10的弯曲变形的幅度增大，并且提高了水平梁10弯曲变形的效率。

如图1所示，所述活塞质量块6的外周面上设置有外檐6-1，所述第二空腔14的腔壁上设置有用于与所述外檐6-1呈台阶面配合的挡块13。通过在活塞质量块6上设置与挡块13台阶面配合的外檐6-1，从而减少了水平梁10所承担的活塞质量块6的重量。

本实施例中，所述外檐6-1一体设置在所述活塞质量块6上。所述盖板4通过螺钉3与所述基体1连接；或者所述盖板4与所述基体1粘接连接。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：包括基体(1)、活塞质量块(6)、吸水材料(2)、光纤(7)和水平梁(10)，所述基体(1)内设置有第一空腔(12)和位于所述第一空腔(12)上方的第二空腔(14)，所述第一空腔(12)与第二空腔(14)相通，所述基体(1)的一侧壁上设置有沿基体(1)长度方向延伸且通向所述第二空腔(14)的第一通道(1-1)，所述基体(1)的另一侧壁上设置有沿基体(1)长度方向延伸且通向所述第二空腔(14)的第二通道(1-2)，所述水平梁(10)的一端插入所述第一通道(1-1)内，所述水平梁(10)的另一端插入所述第二通道(1-2)内，所述光纤(7)上刻有布拉格光栅(11)，所述光纤(7)的一端通过光纤耦合器(8)连接有光源(9)，所述光纤(7)的另一端伸入所述第一通道(1-1)并穿过所述水平梁(10)进而从所述第二通道(1-2)伸出，所述活塞质量块(6)安装在所述第一空腔(12)内，所述吸水材料(2)盛装在所述第二空腔(14)内，所述活塞质量块(6)的下端与所述水平梁(10)相接触，所述活塞质量块(6)的上端与吸水材料(2)相接触，所述基体(1)的上端开设有与所述第二空腔(14)相通的开口(1-3)，所述基体(1)的上端设置有用于封堵所述开口(1-3)的盖板(4)，所述盖板(4)上开设有多个供外界水进入所述吸水材料(2)的进水孔(5)。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述水平梁(10)左侧面的中部向所述水平梁(10)的中心轴线方向靠近并形成第一曲面(10-1)，所述水平梁(10)右侧面的中部向所述水平梁(10)的中心轴线方向靠近并形成第二曲面(10-2)。

3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述活塞质量块(6)的外周面上设置有外檐(6-1)，所述第二空腔(14)的腔壁上设置有用于与所述外檐(6-1)呈台阶面配合的挡块(13)。

4.根据权利要求3所述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述外檐(6-1)一体设置在所述活塞质量块(6)上。

5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其特征在于：所述盖板(4)通过螺钉(3)与所述基体(1)连接；或者所述盖板(4)与所述基体(1)粘接连接。