CN205091196U - 一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及压力测量领域，具体涉及一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，包括光弹性压力传感器和数据采集操作平台，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的位置是相对的，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的间距是可调节的；所述光弹性压力传感器包括外部的圆环和设有圆环内部的曲面垫块和试件，所述圆环内侧的上部设有具有向下弯曲的弧面凸块，所述圆环内侧的下部为平台，所述曲面垫块位于所述圆环内部的上方，所述试件位于所述圆环内部的下方，所述曲面垫块和试件都位于所述圆环的垂直对称轴上。本实用新型核心部件为光弹性材料试件，不仅受环境影响小，可进行受力长期监测，还可更换的，进而传感器的量程可变换。

Description

一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统

技术领域

本实用新型涉及压力测量领域，具体涉及一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统。

背景技术

如今压力传感器的核心部件多为应变片和压电材料，这种传感器受环境影响大，不适合受力的长期监测，而且传感器中的核心部件无法更换。

光弹性法是一种将光学与力学相结合进行应力分析的实验技术。将具有双折射效应的透明材料置于偏振光场中，当给其施加载荷时，即可看到产生的干涉条纹图。测量此干涉条纹，通过计算，就能确定材料在受载情况下的应力。在采矿和土木工程中采用测定岩体应力的光弹性传感器，可以测到因施工或地层结构变化引起的应力。其形式有围护、坑道支柱应力计或嵌入式岩体应力计等。虽然不需要信号放大和传输系统，十分便于多测点巡检或危险地区的远距离摄影检测。但其将光弹性材料直接置于结构内部，容易造成传感器的损坏，影响其对结构的长期监测。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本实用新型旨在提供一种可安装到岩石和混凝土构件内部，对其所受压力进行长期监测的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统。

为实现该技术目的，本实用新型的方案是：一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统包括光弹性压力传感器和数据采集操作平台，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的位置是相对的，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的间距是可调节的；

所述光弹性压力传感器包括外部的圆环和设有圆环内部的曲面垫块和试件，所述圆环内侧的上部设有具有向下弯曲的弧面凸块，所述圆环内侧的下部为平台，所述曲面垫块位于所述圆环内部的上方，所述试件位于所述圆环内部的下方，所述曲面垫块和试件都位于所述圆环的垂直对称轴上；

所述曲面垫块的上表面为凹面形弧形结构与所述圆环内侧的弧面凸块相配合作用，同时所述曲面垫块是为了保证所述光弹性压力传感器中的试件是对径受压的，提高传感器的测试精确度；

所述试件材质为光弹性材料，可采用环氧树脂、航空有机玻璃或聚碳酸脂，所述试件的外表面涂有反光漆，由于不同双折射材料具有不同的材料常数，所以通过改变所述光弹性材料的试件可改变所述光弹性传感器的测试量程；

进一步，所述圆环采用耐候性耐久性优良的材料，优选铝合金或陶瓷材料；

所述数据采集操作平台上设有数据采集装置，所述数据采集操作平台上矩阵设有多个螺纹孔，所述螺纹孔上安装有光学镜片固定装置，所述光学镜片固定装置内设有螺钉、螺纹杆、卡环、带凹槽卡环，所述卡环和光学镜片固定为一体，并置入带凹槽卡环的凹槽中，当螺钉拧紧时，卡环和光学镜片不能旋转，当螺钉松开时，卡环和光学镜片可以旋转，通过螺纹杆可将此装置安装在操作平台上。

所述光学镜片固定装置上的螺纹杆和所述螺纹孔固定连接，所述螺纹孔内可安装光学镜片固定装置，所述光学镜片固定装置内可安装有所述起偏镜、分析镜、两个四分之一波片，所述起偏镜、分析镜、两个四分之一波片可在所述光学镜片固定装置内绕轴心旋转；

所述光源和CCD摄像机通过所述螺纹孔固定安装在所述数据采集操作平台上。

在所述数据采集操作平台上通过对所述起偏镜、分析镜、两个四分之一波片、光源、CCD摄像机的6个部件的位置排列进行光路调节；

所述光路可采用V型光路或正交型光路；当光源为白光时，可根据光弹性条纹图中的颜色实现压力的定性观测，当光源为单色光时，可根据光弹性条纹图计算出所受压力，实现压力的定量测试。

有益效果：

1、光弹性压力传感器的外部设有以金属或陶瓷圆环，起到保护光弹性材料的作用；

2、本实用新型的光弹性压力传感器的核心部件为光弹性材料，光弹性材料受环境影响小，可进行受力长期监测；

3、本实用新型的压力传感器中的核心部件光弹性材料是可更换的，进而传感器的量程可变换。

附图说明

图1是光弹性传感器示意图。

图2是数据采集操作平台。

图3是光学镜片固定装置示意图：

(a)光学镜片固定装置结构示意图；

(b)光学镜片固定装置A-A截面剖面图。

图4是数据采集光路图：

(a)、V型光路；

(b)、正交型光路。

图5是不同荷载下光弹性传感器的光弹性条纹图：

(a)光弹性传感器的光弹性条纹图；

(b)载荷增加后的光弹性条纹图。

图6是对径受压圆盘受力图。

图中，1-圆环，2-曲面垫块，3-试件，4-光弹性压力传感器，5-水平仪，6-螺纹孔，7-螺钉，8-螺纹杆，9-带凹槽卡环，10-光学镜片，11-凹槽，12-四分之一波片，13-起偏镜，14-分析镜，15-光源，16-CCD摄像机，17-半反射镜,18-数据采集操作平台，19-光学镜片固定装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统包括光弹性压力传感器4和数据采集操作平台18，所述光弹性压力传感器4和所述数据采集操作平台18的位置是相对的，所述光弹性压力传感器4和所述数据采集操作平台18的间距是可调节的；

所述光弹性压力传感器4包括外部的圆环1和设有圆环1内部的曲面垫块2和试件3，所述圆环1内侧的上部设有具有向下弯曲的弧面凸块，所述圆环1内侧的下部为平台，所述曲面垫块2位于所述圆环1内部的上方，所述试件3位于所述圆环1内部的下方，所述曲面垫块2和试件3都位于所述圆环1的垂直对称轴上；

所述曲面垫块2的上表面为凹面形弧形结构与所述圆环1内侧的弧面凸块相配合作用，同时所述曲面垫块2是为了保证所述光弹性压力传感器4中的试件3是对径受压的，提高所述光弹性压力传感器4的测试精确度；

所述试件3材质为光弹性材料，可采用环氧树脂、航空有机玻璃或聚碳酸脂，所述试件3的外表面涂有反光漆，由于不同双折射材料具有不同的材料常数，所以通过改变所述光弹性材料的试件可改变所述光弹性传感器的测试量程；

进一步，所述圆环1采用耐候性耐久性优良的材料，优选铝合金或陶瓷材料；

所述数据采集操作平台18上设有数据采集装置，所述数据采集装置包括起偏镜13、分析镜14、两个四分之一波片12、光源15、CCD摄像机16，在所述数据采集操作平台18上矩阵设有多个螺纹孔6，所述螺纹孔6内可安装光学镜片固定装置19，所述光学镜片固定装置19内设置有所述起偏镜13、分析镜14、两个四分之一波片12，所述起偏镜13、分析镜14、两个四分之一波片12可在所述光学镜片固定装置19内绕轴心旋转，所述光源15和CCD摄像机16以螺栓6固定安装在所述数据采集操作平台18上；

在所述数据采集操作平台18上通过对所述起偏镜13、分析镜14、两个四分之一波片12、光源15、CCD摄像机16的6个部件的位置排列进行光路调节；

所述光路可采用V型光路或正交型光路；当光源为白光时，可根据光弹性条纹图中的颜色实现压力的定性观测，当光源为单色光时，可根据光弹性条纹图计算出所受压力，实现压力的定量测试。

本实用新型的工作原理是：对径受压圆环1将荷载传递给曲面垫块2，曲面垫块2将荷载再传递给光弹性材料试件3。受力圆环1和曲面垫块2的接触面均为光滑的，并涂有润滑油。在光弹性传压力传感器4中引入曲面垫块2，可保证光弹性传压力传感器4中的光弹性材料试件3对径受压，提高光弹性传压力传感器4的测试精度。

当光弹性压力传感器4在竖直方向受压时会使光弹性材料试件3在竖直方向对径受压。光弹性材料试件3在竖直方向受到的压力可根据光弹性条纹图测出，光弹性材料试件3在竖直方向受到的压力即为传感器所受压力。

本实用新型在数据采集操作平台18进行数据采集，在数据采集操作平台18上通过光学镜片固定装置19安装起偏镜13、分析镜14、两个四分之一波片12、光源15、CCD摄像机16。数据采集操作平台18上可进行光路调节，可采用V型光路和正交型光路。

如图6所示，径向受压圆盘的中心点主应力的理论解为式(1)。根据光弹法原理中心点主应力差为式(2)。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_1=\frac{2P}{\mathrm{\π}dD}& {\mathrm{\σ}}_2=-\frac{6P}{\mathrm{\π}dD}\end{array}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2=\frac{f_{\mathrm{\σ}}{n}_k}{d}---\left(2\right)$

式中P为径向载荷，n_k为圆盘中心点K条纹级次，D为圆盘直径，d为圆盘厚度，f_σ光弹性材料的条纹值。

由式(1)和式(2)可推出径向载荷P的计算式(3)式。径向载荷即为光弹传感器所受压力。要测试径向载荷，关键就是测试圆盘中心点条纹级次n_k。

$P=\frac{f_{\mathrm{\σ}}{n}_k\mathrm{\π}D}{8}---\left(3\right)$

当光源为白光时，可根据光弹性条纹图中的颜色实现压力的定性观测。以白光照明时，模型上所有光程差为零的点，各种不同波长的色光均发生干涉相消，因此形成黑色条纹，即零级等差线。从零级的位置开始，随着光程差逐渐增加，波长最短的紫光首先发生消光，然后依次是蓝、青、绿、黄、橙、红各色光发生消光，这些色光的互补色黄绿、黄、橙、红、蓝、青、绿就连续显现出来。所以可根据等差线颜色变化的趋势来判断圆盘中心点条纹级次，进而实现压力的定性观测。

当光源为单色光时，可根据光弹性条纹图计算出所受压力，实现压力的定量测试。用Tardy补偿法测试径向受压圆盘中心点条纹级次。设该点的条纹级次是在n和n+1这两个整级次之间。当向某一个方向旋转分析镜时，是低级次n级向该点靠近，设此时的角度为θ₁，测点的条纹级次应为(4)式。

$n_k=n+\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

而向相反方向旋转分析镜时，则会是高级次n+1级向该点靠近，设此时的角度为θ₂，测点的条纹级次应为(5)式。

$n_k=(n+1)-\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\π}}---\left(5\right).$

Claims (9)

1.一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，包括光弹性压力传感器和数据采集操作平台，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的位置是相对的，所述光弹性压力传感器和所述数据采集操作平台的间距可调节；

所述光弹性压力传感器包括外部的圆环和设有圆环内部的曲面垫块和试件，所述圆环内侧的上部设有具有向下弯曲的弧面凸块，所述圆环内侧的下部为平台，所述曲面垫块位于所述圆环内部的上方，所述试件位于所述圆环内部的下方，所述曲面垫块和试件都位于所述圆环的垂直对称轴上；

所述曲面垫块的上表面为凹面形弧形结构与所述圆环内侧的弧面凸块相配合作用，同时所述曲面垫块是为了保证所述光弹性压力传感器中的试件是对径受压的；

所述数据采集操作平台上设有数据采集装置，所述数据采集操作平台上矩阵设置有多个螺纹孔，所述螺纹孔上安装有光学镜片固定装置；

所述光学镜片固定装置内设有螺钉、螺纹杆、凹槽、带凹槽卡环，所述光学镜片固定装置通过螺纹杆可固定安装在所述数据采集操作平台上，所述带凹槽卡环和所述光学镜片固定为一体，并置入所述凹槽中，当所述螺钉拧紧时，所述卡环和所述光学镜片不能旋转，当所述螺钉松开时，所述卡环和所述光学镜片可以旋转；

所述光学镜片固定装置上的螺纹杆和所述数据采集操作平台上的螺纹孔固定连接，所述螺纹孔内可安装所述光学镜片固定装置，所述光学镜片固定装置内可安装有起偏镜、分析镜、两个四分之一波片，所述起偏镜、分析镜、两个四分之一波片可在所述光学镜片固定装置内绕轴心旋转；

所述数据采集操作平台上通过所述螺纹孔固定安装光源和CCD摄像机。

2.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述试件材质为光弹性材料，采用环氧树脂、航空有机玻璃或聚碳酸脂。

3.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述试件的外表面涂有反光漆。

4.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述的对径受压圆环和曲面垫块的接触面均为光滑的，并涂有润滑油。

5.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述圆环优选铝合金或陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，在所述数据采集操作平台上通过对所述起偏镜、分析镜、两个四分之一波片、光源、CCD摄像机的6个部件的位置排列进行光路调节。

7.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述光源的光路可采用V型光路或正交型光路。

8.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，在所述数据采集操作平台横向和纵向上设有水平仪。

9.根据权利要求1所述的一种采用光弹性压力传感器的压力测量系统，其特征在于，所述光源为白光或单色光。