CN210571103U

CN210571103U - 光纤光栅土压力传感器

Info

Publication number: CN210571103U
Application number: CN201921999458.7U
Authority: CN
Inventors: 王爽; 曾芳婧; 张兴豪; 程梓轩; 张�浩; 钟志鑫; 段君淼; 翟步升; 郭志利; 张雷
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-18

Abstract

本实用新型提供了一种光纤光栅土压力传感器，属于传感技术领域，包括壳体，以及设置在壳体内的X型架、弹性梁、盖体和支架；壳体的顶部设置有开口；X型架包括交叉设置且相互铰接的第一支撑梁和第二支撑梁，第一支撑梁和第二支撑梁的底部分别与壳体的底板滑动连接；弹性梁连接第一支撑梁的下部和第二支撑梁的下部；弹性梁上设置有用于监测弹性梁伸长量的光纤光栅；盖体位于X型架的上方，并与壳体密封连接，用于封堵开口；支架设置在盖体的底部，底部与第一支撑梁和/或第二支撑梁的上半部滑动连接。本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器，能够实现对土压力大小的实时监测，可广泛应用于各种复杂的环境中。

Description

光纤光栅土压力传感器

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅土压力传感器。

背景技术

目前，土木工程中土压力受土体力学性质、外界环境不断变化等因素的影响，使得监测土压力的变化非常困难。传统的土压力传感器按工作原理分类主要有电阻应变式土压力传感器和振弦式土压力传感器。电阻应变式土压力传感器的原理是依靠电阻应变片在土压力的作用下产生形变导致电阻值发生变化，从而测得土压力的大小。它不能长期适用于土压力的监测是因为电阻应变片对温度较敏感、输出信号较弱并且对于大应变有较大的非线性等。振弦式土压力传感器是由于钢弦在不同张力作用下具有不同的固定频率，从而测得土压力大小，通常这种传感器体积较大，并且精度较低、响应速度较慢。综上所述，这些传感器都存在稳定性差、易受环境干扰等缺点，故不能满足长期结构健康监测的需要。

而现有的光纤光栅土压力传感器则存在精度低、寿命短、体积大等缺点，难以应用于工程结构的变形监测。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种光纤光栅土压力传感器，旨在解决现有的光纤光栅土压力传感器则存在精度低、寿命短、体积大等缺点，难以应用于工程结构的变形监测的技术问题。

一方面，提供了一种光纤光栅土压力传感器，包括：壳体，顶部设置有开口；

X型架，设置在所述壳体内；所述X型架包括交叉设置且相互铰接的第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁的底部分别与所述壳体的底板滑动连接；

弹性梁，连接所述第一支撑梁的下部和所述第二支撑梁的下部；所述弹性梁上设置有用于监测所述弹性梁伸长量的光纤光栅；

盖体，位于所述X型架的上方，与所述壳体密封连接，用于封堵所述开口；以及

支架，设置在所述盖体的底部，底部与所述第一支撑梁和/或所述第二支撑梁的上半部滑动连接；当所述盖体受到向下的土压力时，所述盖体的受力部分能够向下凹陷、推动所述支架向下移动，使得所述支架对所述第一支撑梁和所述第二支撑梁的上半部施加向下的压力。

作为本申请另一实施例，所述弹性梁的一端与所述第一支撑梁的底部连接，另一端与所述第二支撑梁的底部连接。

作为本申请另一实施例，所述支架包括平行设置的第一支板和第二支板；所述第一支板的顶部与所述盖体的底部固定连接，底部与所述第一支撑梁的上半部滑动连接；所述第二支板的顶部与所述盖体的底部固定连接，底部与所述第二支撑梁的上半部滑动连接。

作为本申请另一实施例，所述第一支板和所述第二支板的底部分别设置有第一滚轮，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁上分别设置有用于供相应第一滚轮滚动的第一滑道。

作为本申请另一实施例，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁的底部分别设置有第二滚轮，所述壳体的底板上设置有用于供相应第二滚轮滚动的第二滑道。

作为本申请另一实施例，所述光纤光栅土压力传感器还包括：

温度补偿光栅，设置在所述壳体内。

作为本申请另一实施例，所述温度补偿光栅设有两个且分设在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁上。

作为本申请另一实施例，两个所述温度补偿光栅相互串联。

作为本申请另一实施例，所述光纤光栅设有两个且对称设置在所述弹性梁的两侧。

作为本申请另一实施例，所述壳体包括套筒和用于封堵所述套筒底口的底板，所述底板、所述盖体与所述套筒可拆卸且密封连接。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，通过X型架将盖体受到的竖直方向的力转变为横向拉力，减小了光纤光栅土压力传感器的体积。另外，盖体与壳体密封连接，使得测试时土不会由盖体和壳体之间的缝隙进入壳体内，进而影响测试的正常进行以及测试的准确性，从而进一步提高了测试结构的精确度，保证了传感器较长的使用寿命。

综上所述，本实用新型实施例提供的光纤光栅土压力传感器能够实现对土压力大小的实时监测，具有测量范围广、灵敏度高、结构简单、成本低、抗恶劣天气强等优点，可广泛应用于各种复杂的环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光纤光栅土压力传感器的竖向剖面结构示意图；

图2为本实用新型实施例所采用的第二支撑梁与第二支板及第二滚轮连接关系示意图；

图3为测量土压力时本实用新型实施例所采用的盖体的受力示意图；

图4为测量土压力时本实用新型实施例所采用的X型架与弹性梁的受力情况简化示意图一；

图5为测量土压力时本实用新型实施例所采用的X型架与弹性梁的受力情况简化示意图二。

图中：100、壳体；110、筒体；120、底板；200、X型架；210、第一支撑梁；220、第二支撑梁；230、第一滑道；240、第二滚轮；300、弹性梁；400、光纤光栅；500、盖体；600、支架；610、第一支板；620、第二支板；630、第一滚轮。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，现对本实用新型实施例提供的光纤光栅土压力传感器进行说明。所述光纤光栅土压力传感器，包括壳体100，以及设置在壳体100内的X型架200、弹性梁300、盖体500和支架600。

壳体100的顶部设置有开口。X型架200包括交叉设置且相互铰接的第一支撑梁210和第二支撑梁220，第一支撑梁210和第二支撑梁220的底部分别与壳体100的底板120滑动连接。弹性梁300连接第一支撑梁210的下部和第二支撑梁220的下部。弹性梁300上设置有用于监测弹性梁300伸长量的光纤光栅400。

盖体500位于X型架200的上方，并与壳体100密封连接，用于封堵开口。支架600设置在盖体500的底部，底部与第一支撑梁210和/或第二支撑梁220的上半部滑动连接。当盖体500受到向下的土压力时，盖体500的受力部分能够向下凹陷、推动支架600向下移动，使得支架600对第一支撑梁210和第二支撑梁220的上半部施加向下的压力。

为便于描述，下文中部分内容将光纤光栅土压力传感器简称为了传感器。

使用前，先将光纤光栅400与光纤光栅400解调仪连接。测量土压力时，土壤对盖体500产生向下的压力，之后盖体500的受力部分向下凹陷推动支架600向下移动，对第一支撑梁210和第二支撑梁220的上半部施加向下的压力，第一支撑梁210和第二支撑梁220受力绕连接两者的铰轴旋转，进而两者之间的夹角增大，同时两者的底部分别对弹性梁300的两端施加向外的拉伸力，弹性梁300发生形变，同时带动粘接在弹性梁300上的光纤光栅400产生形变，之后光纤光栅400将形变信号传送至光纤光栅400解调仪。监测人员再通过监测光纤光栅400的波长变化测得土压力的大小。

具体分析过程如下：

弹性梁300的应变为

其中粘贴在其上的光纤光栅400中心波长为λB；λB＝2neffΛ，式中neff为纤芯折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅400发生应变时，可通过光纤光栅400解调仪测出中心波长位移变化量ΔλB；再根据公式ΔλB＝Kε*Δε得出Δε，其中Kε为光纤光栅400的应变传感灵敏度系数。之后根据公式

(其中L为弹性梁300的初始长度)得出弹性梁300应变的变化量，再根据相应推导公式(此为现有技术，在此不再赘述)得出土压力的大小。

本实用新型实施例提供的光纤光栅土压力传感器，与现有技术相比，通过X型架200将盖体500受到的竖直方向的压力转变为横向拉力，减小了光纤光栅土压力传感器的体积。另外，盖体500与壳体100密封连接，使得测试时土壤不会由盖体500和壳体100之间的缝隙进入壳体100内，进而影响测试的正常进行以及测试的准确性，从而进一步提高了测试结构的精确度，保证了传感器较长的使用寿命。

请一并参阅图1、图2、图4及图5，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，弹性梁300的一端与第一支撑梁210的底部连接，另一端与第二支撑梁220的底部连接。

弹性梁300位于第一支撑梁210和第二支撑梁220的底部，可将盖体500所受到的压力放大，从而有效提高了土压力测试结果的精确度。

请参阅图1，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，支架600包括平行设置的第一支板610和第二支板620；第一支板610的顶部与盖体500的底部固定连接，底部与第一支撑梁210的上半部滑动连接；第二支板620的顶部与盖体500的底部固定连接，底部与第二支撑梁220的上半部滑动连接。

支架600采用平行设置的第一支板610和第二支板620构成，使得支架600可同时对第一支撑梁210和第二支撑梁220施加作用力，进而保证了X型架200受力的稳定性。

请一并参阅图1及图2，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，第一支板610和第二支板620的底部分别设置有第一滚轮630，第一支撑梁210和第二支撑梁220上分别设置有用于供相应第一滚轮630滚动的第一滑道230。

第一滚轮630的设置有效降低了第一支板610与第一支撑梁210、第二支板620与第二支撑梁220之间的摩擦力，保证了支架600与X型架200之间滑动的顺畅性。

第一滑道230的设置则确保了第一滚轮630可按预设路线进行滚动，进而保证了支架600对X型架200主要施加向下的压力，进而保证了盖体500所受压力能够经支架600和X型架200平稳传递至弹性梁300上，进而保证了测量结果的准确性。

请一并参阅图1及图2，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，第一支撑梁210和第二支撑梁220的底部分别设置有第二滚轮240，壳体100的底板120上设置有用于供相应第二滚轮240滚动的第二滑道。

第二滚轮240的设置有效降低了第一支撑梁210和第二支撑梁220与壳体100之间的摩擦力，保证了X型架200与壳体100之间滑动的顺畅性。

第二滑道的设置则确保了第二滚轮240可按预设路线进行滚动，进而保证了X型架200只能对弹性梁300施加横向拉伸力，进而保证了盖体500所受压力能够经支架600和X型架200平稳传递至弹性梁300上，保证了测量结果的准确性。

请一并参阅图1及图2，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，第一支撑梁210和第二支撑梁220分别设有两个且分设在支架600的两侧，第二滚轮240设有两组，一组位于第一支撑梁210的底部下方，另一组设置在第二支撑梁220的底部，每组第二滚轮240内设置有两个第二滚轮240，位于同一组的两个第二滚轮240通过一个转轴连接，两个第一支撑梁210或两个第二支撑梁220与相应转轴分别连接，弹性梁300一端与一个转轴连接，另一端与另一转轴连接。

作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，光纤光栅土压力传感器还包括设置在壳体100内的温度补偿光栅。

温度补偿光栅的设置避免了温度对测量结果的不良影响，进一步提高了测量结果的精确度。

作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，温度补偿光栅设有两个且分设在第一支撑梁210和第二支撑梁220上。

温度补偿光栅设置在第一支撑梁210和第二支撑梁220上，使得两者的性能不会受温度不同的影响，进而保证了测量结果的准确性。

作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，两个温度补偿光栅相互串联。

两个温度补偿光栅相互串联，使得两者可通过同一控制装置控制，使得传感器内的线缆较少且连接方便。

请参阅图2，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，光纤光栅400设有两个且对称设置在弹性梁300的两侧。

这样当弹性梁300左右两边变形量不对称时，可取两个光纤光栅400测量结果的中间值，从而有效减小了传感器的测量误差，降低了弹性梁300左右变形量不对称对测量结果的不良影响，确保了传感器测量结果的准确性。

请参阅图1，作为本实用新型提供的光纤光栅土压力传感器的一种具体实施方式，壳体100包括筒体110和用于封堵筒体110底口的底板120，底板120、盖体500与筒体110可拆卸且密封连接。

组装传感器时，先将弹性梁300安装至X型架200上，之后再将X型架200放置在底板120上，之后将筒体110套设至底板120上，并将底板120与筒体110密封连接，之后将安装有支架600的盖体500放置在壳体100顶部，使得支架600的底部与X型架200的上部相接，调整好支架600与X型架200的相对位置后，将盖体500与筒体110密封连接。

盖体500、底板120和筒体110可拆卸连接，便于传感器核心零部件的安装。底板120、盖体500和筒体110密封连接，使得整个传感器呈密封结构，起到了对传感器核心零部件的保护作用，确保了传感器工作性能的稳定性和较长的使用寿命。

具体地，盖体500、底板120可分别通过螺栓与筒体110可拆卸连接，之后再通过密封胶或其他密封结构将盖体500或底板120与筒体110之间的缝隙进行封堵，从而实现盖体500、底板120与筒体110的密封连接。

为说明本实施例传感器如何计算得出土压力，发明人对传感器测量过程中的受力情况进行了分析说明。如图3所示，当盖体500受到来自于土壤的下压力F时，盖体500还会受到第一支板610对其的支撑力F₁和第二支板620的支撑力F₂，根据牛顿第二定律可得出关系式F₁+F₂＝F，根据力矩平衡得到F(x₁+r)＝2r×F₂，其中x₁为F距离圆心的距离，r为圆心到第一支板610和第二支板620的最短距离，可得到第一支板610和第二支板620分别承受的分力为F₁＝F-(F(x₁+r))/2r和F₂＝(F(x₁+r))/2r。

如图4所示，又根据能量守恒定律可得到关系式F₃y₁+F₄y₂＝F_弹×2x₂，其中F₃是支架600对第一支撑梁210施加的作用力，根据牛顿第二定律可得F₃＝F₁；F₄是支架600对第二支撑梁220施加的作用力，根据牛顿第二定律可得F₄＝F₂；F_弹为弹性梁300所受到的拉力，y₁为第一支板610受力下移距离，y₂为第二支板620受力下移距离。

如图5所示，当第一支撑梁210和第二支撑梁220对称设置，第一支板610和第二支板620对称设置时，y₁＝y₂＝y。y又可由方程式y＝(L²-a²)^1/2-[(L+△L)²-(a+△a)²]^1/2得到。其中,L为初始状态下第一支板610或第二支板620与第一支撑梁210或第二支撑梁220接触点到第一支撑梁210或第二支撑梁220底端之间的长度，△L为X型架200受力发生变形后第一支板610或第二支板620与第一支撑梁210或第二支撑梁220接触点到第一支撑梁210或第二支撑梁220底端之间的长度，a为第一支板610或第二支板620到弹性梁300上的竖直投影到弹性梁300远离第一支板610或第二支板620的一端的距离，△a为弹性梁300远离第一支板610或第二支板620的一端的变形量，即上述x₂。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括：

壳体，顶部设置有开口；

2.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述弹性梁的一端与所述第一支撑梁的底部连接，另一端与所述第二支撑梁的底部连接。

3.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述支架包括平行设置的第一支板和第二支板；所述第一支板的顶部与所述盖体的底部固定连接，底部与所述第一支撑梁的上半部滑动连接；所述第二支板的顶部与所述盖体的底部固定连接，底部与所述第二支撑梁的上半部滑动连接。

4.如权利要求3所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述第一支板和所述第二支板的底部分别设置有第一滚轮，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁上分别设置有用于供相应第一滚轮滚动的第一滑道。

5.如权利要求3所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述第一支撑梁和所述第二支撑梁的底部分别设置有第二滚轮，所述壳体的底板上设置有用于供相应第二滚轮滚动的第二滑道。

6.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅土压力传感器还包括：

温度补偿光栅，设置在所述壳体内。

7.如权利要求6所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述温度补偿光栅设有两个且分设在所述第一支撑梁和所述第二支撑梁上。

8.如权利要求7所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：两个所述温度补偿光栅相互串联。

9.如权利要求1所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述光纤光栅设有两个且对称设置在所述弹性梁的两侧。

10.如权利要求1-9任一项所述的光纤光栅土压力传感器，其特征在于：所述壳体包括套筒和用于封堵所述套筒底口的底板，所述底板、所述盖体与所述套筒可拆卸且密封连接。