CN211178339U - 光纤光栅测斜传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤光栅测斜传感器，属于传感器技术领域，包括壳体，以及均设置在壳体内的旋转驱动机构、连接架和配重体，旋转驱动机构悬设于壳体内，通过连接架与壳体的内壁连接；连接架具有传力方向相互垂直的两个第一传力臂；各个第一传力臂上分别贴设有第一光纤光栅，各个第一光纤光栅分别用于监测相应第一传力臂的应变量；配重体通过连接件与旋转驱动机构的驱动轴连接。本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器，大幅度减小了测斜传感器由于摩擦力而导致的精度下降的影响，测量精度高、测量范围广，结构简单，成本低，可广泛应用于各种复杂的环境中。

Description

光纤光栅测斜传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤光栅测斜传感器。

背景技术

对沿着竖直方向不同高度或者深度处的倾斜、变形信息的监测在高层建筑、深坑、高边坡等工程领域非常重要，通过监测，可掌握它们的倾斜、变形情况及其变化趋势。这种倾斜或者变形的测量技术中，传统的电测斜传感器和机械测斜传感器应用非常普遍，例如在边坡变形监测中，工作人员通过在边坡内部沿竖直方向钻孔，埋入商业测斜管，将电测斜传感器放入测斜管中，从测斜管底端开始，依次按照等高度的间隔提升电测斜传感器，再记录各个高度处的电测斜传感器测量的变形值，得到边坡沿竖直方向不同高度的分布式变形信息。这种测量方法，由于电测斜传感器测量的输出信号为弱电，一方面，电测斜传感器器的抗干扰能力差，读数不稳定，且工作人员的每次测量都必须到边坡现场实施，工作开展非常不便，不同的工作人员受主观影响后的读数结果也容易不同，而且无法做到实时监测，对边坡变形等无法及时掌握；另一方面，普通机械测斜传感器存在摩擦力较大、精度不高的情况。

光纤光栅传感技术因其抗电磁干扰、可多个传感器串接复用、可远程实时监测以及精度高等突出优势，非常适用于边坡等野外恶劣环境中的实时监测，因此基于光纤光栅原理变形测量技术研究不断。但在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中存在至少如下问题：现有的光纤光栅倾角仪由于精度低、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

本实用新型的目的在于提供一种光纤光栅测斜传感器，旨在解决现有的光纤光栅倾角仪由于精度低、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。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种光纤光栅测斜传感器，包括：壳体；

旋转驱动机构，悬设于所述壳体内；

配重体，通过连接件与所述旋转驱动机构的驱动轴连接；

连接架，设置在所述壳体内，用于连接所述旋转驱动机构与所述壳体的内壁；所述连接架上设有传力方向相互垂直的两个第一传力臂；以及

两个第一光纤光栅，分别贴设于两个所述第一传力臂上，各个所述第一光纤光栅分别用于监测相应所述第一传力臂的应变量。

进一步地，还包括：

监测装置，设置在所述壳体内，用于监测所述配重体所受拉力与重力是否处于同一直线上。

进一步地，所述连接件包括套设在所述驱动轴上并与所述驱动轴固定连接的连接套，以及连接所述连接套和所述配重体的第二传力臂；

所述监测装置包括贴设于所述第二传力臂上的第二光纤光栅，所述第二光纤光栅通过监测所述第二传力臂的应变量判断所述配重体所受拉力与重力是否处于同一直线上。

进一步地，所述壳体为底部开放且中空的立方体；所述壳体上设置有连通所述壳体内腔与外部空间的尾栅口和电力口，所述尾栅口用于供外接数据监测系统的连接线穿入所述壳体内与所述第一光纤光栅和/或所述第二光纤光栅连接，所述电力口用于供外接电力供应装置的连接线穿入所述壳体内与所述旋转驱动机构、所述第一光纤光栅和/或所述第二光纤光栅连接。

进一步地，所述连接架包括：

固定座，固设于所述壳体的顶板和/或侧壁上；以及

安装壳，悬设于所述壳体内，用于容纳所述旋转驱动机构；

两个所述第一传力臂分别一端通过铰轴与所述固定座铰接，另一端与所述安装壳的外壁固定连接。

进一步地，所述铰轴的轴向与所述驱动轴的轴向平行。

进一步地，所述固定座设有两个，一个所述固定座设置在所述壳体的顶板上、与其中一个所述第一传力臂连接，另一个所述固定座设置在所述壳体其中一个侧壁上、与另一个所述第一传力臂连接，所述旋转驱动机构位于设置在所述壳体顶板上的所述固定座的正下方。

进一步地，各个所述固定座分别与所述壳体可拆卸连接。

进一步地，所述壳体的顶板和用于安装所述固定座的侧壁上分别设置有贯穿相应板体的安装孔，各个所述固定座分别插设于相应所述安装孔内。

进一步地，各个所述固定座还通过螺栓与所述壳体连接。

本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型光纤光栅测斜传感器改变了测量方法，利用光纤光栅和旋绕式测斜方法测量待测物的倾斜角度，大幅度减小了测斜传感器由于摩擦力而导致的精度下降的影响，使得本实施例提供的光纤光栅测斜传感器在恶劣环境下性能优越，具体表现在不受电磁干扰、抗腐蚀、抗污染、抗机械疲劳、抗雷击能力强等。与此同时，本实施例提供的光纤光栅测斜传感器测量精度高、测量范围广，结构简单，成本低，可广泛应用于各种复杂的环境中，尤其是坝体、边坡和路基的斜移测量，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

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测斜传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光纤光栅测斜传感器沿图1中A-A线的剖视结构图。

图中：100、壳体；110、尾栅口；120、电力口；200、旋转驱动机构；300、配重体；400、连接架；410、固定座；420、安装壳；430、第一传力臂；440、铰轴；500、第一光纤光栅；600、连接件；610、连接套；620、第二传力臂；700、监测装置。

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。

请一并参阅图1及图2，现对本实用新型实施例提供的光纤光栅测斜传感器进行说明。所述光纤光栅测斜传感器，包括壳体100，以及均设置在壳体100内的旋转驱动机构200、连接架400和配重体300。其中，旋转驱动机构200悬设于壳体100内，通过连接架400与壳体100的内壁连接。连接架400具有传力方向相互垂直的两个第一传力臂430；各个第一传力臂430上分别贴设有第一光纤光栅500，各个第一光纤光栅500分别用于监测相应第一传力臂430的应变量。配重体300通过连接件600与旋转驱动机构200的驱动轴连接。

为便于描述，以下部分内容将“光纤光栅测斜传感器”，简称为“测斜传感器，测斜传感器的工作原理如下：

初始状态下，配重体300位于驱动轴的正下方，连接件600施加至配重体300上的拉力与配重体300的重力处于同一直线上。测量时，将测斜传感器放置到待测物上，当待测物发生倾斜或本身具有一定倾斜角度时，配重体300受到的重力和拉力之间出现一定夹角，之后控制旋转驱动机构200带动配重体300转动，直至配重体300所受到的拉力和重力重新处于同一直线上，此时配重体300相对初始位置所旋转的角度即为待测物的倾斜角度(设为a)，之后根据两个第一传力臂430的应变量比值得出tana或者cota，进而计算得出待测物的倾斜角度a。

本实施例中旋转驱动机构200可以为电动机、液压马达等，只要能驱动配重体300绕驱动轴转动从而使得配重体300所受拉力与重力处于同一直线上即可，在此不做限制。

本实用新型实施例提供的光纤光栅测斜传感器，与现有技术相比，改变了测量方法，利用光纤光栅和旋绕式测斜方法测量待测物的倾斜角度，大幅度减小了测斜传感器由于摩擦力而导致的精度下降的影响，使得本实施例提供的光纤光栅测斜传感器在恶劣环境下性能优越，具体表现在不受电磁干扰、抗腐蚀、抗污染、抗机械疲劳、抗雷击能力强等。与此同时，本实施例提供的光纤光栅测斜传感器测量精度高、测量范围广，结构简单，成本低，可广泛应用于各种复杂的环境中，尤其是坝体、边坡和路基的斜移测量，对于土木工程结构变形监测具有十分重要的意义。

上述实施例中，配重体300所受拉力与重力是否处于同一直线上可通过眼睛观察或监测装置700进行测量，其中用眼睛观察误差较大，为提高测量的精确性，作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，光纤光栅测斜传感器还包括用于监测配重体300所受拉力与重力是否处于同一直线上的监测装置700，以确保监测人员可以准确判断配重体300所受拉力与重力是否处于同一直线上，保证了测量结果的准确性。

上述实施例中监测装置700可以设置在壳体100内也可设置在壳体100外，只要能实现上述功能即可。

具体地，监测装置700可以采用多种形式。举例说明，监测装置700包括位于壳体100外的重锤，以及连接重锤和壳体100外壁的连接绳或链条，壳体100可采用镂空或透明壳体100，将测斜传感器放置到待测物上后，重锤会在重力作用下，自动转动一定角度，使得连接绳或链条竖直向下，这时只要观察连接件600或配重体300是否转动至与重锤、连接绳或链条位于同一直线上即可判断配重体300所受拉力或重力是否处于同一直线上。

另外，由于当配重体300所受拉力与重力处于同一直线上时，连接件600所受拉力最大，监测装置700也可采用能够检测连接件600受力大小的监测仪器，使用时将该监测装置700安装至壳体100内壁或连接件600上，对连接件600的应变量进行实时监测，当监测装置700监测到连接件600应变量最大时即为配重体300所受拉力或重力处于同一直线上，监测结果可通过与外接设备连接的数据线传递至外接设备上，以便于监测人员观察。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，连接件600包括套设在驱动轴上并与驱动轴固定连接的连接套610，以及连接连接套610和配重体300的第二传力臂620。

监测装置700包括贴设于第二传力臂620上的第二光纤光栅，第二光纤光栅通过监测第二传力臂620的应变量来判断配重体300所受拉力与重力是否处于同一直线上。使用时，当旋转驱动机构200驱动配重体300绕驱动轴旋转时，第二光纤光栅检测到的第二传力臂620的应变量也随之变化，当第二光纤光栅检测到第二传力臂620应变量变化至最大值时，控制旋转驱动机构200停止工作，此时配重体300所受拉力与重力即处于同一直线上。采用第二光纤光栅作为监测装置700可对第二传力臂620的应变量进行实时监测，且工作性能稳定，适于在野外使用，符合其使用要求。

进一步地，第一传力臂430和第二传力臂620可以分别为板体或杆体，只要能实现上述功能即可，在此不做限制。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，壳体100为底部开放且中空的立方体；壳体100上设置有连通壳体100内腔与外部空间的尾栅口110和电力口120，尾栅口110用于供外接数据监测系统的连接线穿入壳体100内与第一光纤光栅500和/或第二光纤光栅连接，电力口120用于供外接电力供应装置的连接线穿入壳体100内与旋转驱动机构200、第一光纤光栅500和/或第二光纤光栅连接。

壳体100采用底部开放且中空的立方体，便于组装人员将旋转驱动机构200等装置安装至壳体100内，且有效降低了壳体100的重量，便于搬运。

尾栅口110的设置则便于组装人员将第一光纤光栅500和第二光纤光栅的尾栅引至壳体100外与外接数据监测系统(如光纤光栅解调器等)连接。

电力口120的设置则便于外接电力供应装置为测斜传感器内各电力装置供电，以保证测斜传感器的正常使用。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，连接架400包括固设于壳体100的顶板和/或侧壁上的固定座410，以及悬设于壳体100内、用于容纳旋转驱动机构200的安装壳420。

两个第一传力臂430分别一端通过铰轴440与固定座410铰接，另一端与安装壳420的外壁固定连接。

两个第一传力臂430分别与固定座410铰接，即两个第一传力臂430可相对固定座410及壳体100转动，进而可以确保两个第一传力臂430仅会受到拉伸或压缩力作用，不会受到扭力的作用，进而保证了测量结果的准确性。

具体地，安装壳420为一侧设有开口的中空壳，使用时将旋转驱动机构200经开口插入中空壳内，在通过螺丝或螺钉固定旋转驱动机构200和安装壳420的相对位置关系，以保证两者连接关系的稳定性。第一传力臂430用于与固定座410连接一端设置有两个相互平行的耳板，安装时两个耳板分设在固定座410的两侧，销轴440贯穿两个耳板和固定座410。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，铰轴440的轴向与驱动轴的轴向平行。

设其中一个第一传力臂430沿X方向延伸，另一个第一传力臂430则沿Y方向延伸，两者分别可在XY平面(即垂直于驱动轴轴线的平面)上转动。其中，XY平面与配重体300旋转平面平行，进一步保证了测量结果的准确性。

本实施例中第一传力臂430与安装壳420可一体成型或通过螺栓连接，通过螺栓连接时，便于两者的组装或拆卸。

固定座410可采用一个或两个，采用一个时可采用L型结构，设置在壳体100的拐角处，两个第一传力臂430分别设置与固定座410的两个自由端连接，也可采用两个固定座410，作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，两个固定座410与两个第一传力臂430一一对应，一个固定座410设置在壳体100的顶板上，另一个固定座410设置在壳体100其中一个侧壁上，旋转驱动机构200设置在位于壳体100顶板上的固定座410的正下方。

固定座410设有两个，有效降低了固定座410的重量和制作所需材料数量，且便于安装，符合其使用需要。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，各个固定座410分别与壳体100可拆卸连接，便于固定座410或壳体100发生磨损后的维修，降低了测斜传感器的维修成本。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，请参阅图1及图2，壳体100的顶板和用于安装固定座410的侧壁上分别设置有贯穿相应板体的安装孔，各个固定座410分别插设于相应安装孔内。

固定座410与壳体100插接，提高了固定座410安装或拆卸操作的便捷性，符合其使用需要。

作为本实用新型提供的光纤光栅测斜传感器的一种具体实施方式，各个固定座410还通过螺栓与壳体100连接，进一步保证了固定座410与壳体100连接关系的稳定性，保证了测斜传感器使用性能的稳定性。

进一步地，固定座410包括依次连接的用于与第一传力臂430连接的第一连接部、与壳体100插接的第二连接部，以及位于壳体100外的挡板，其中挡板与壳体100的接触面积大于安装孔的横截面积，安装时，将固定座410插入安装孔内，第一连接部延伸至壳体100的内腔与第一传力臂430连接，挡板位于壳体100外部，通过螺栓与壳体100的侧壁或顶板连接。

进一步地，旋转驱动机构200为恒定调速电机，可带动配重体300进行360°旋转。测量时调整电机转速，使得W²*R*M(W为电机运行速度，R为配重体300的重心到驱动轴的距离，M为配重体300的重力)的大小与第一传力臂430的重量接近。第一光纤光栅500和第二光纤光栅采用金属化封装，长期零点稳定、温度漂移微小、焊接操作简便、动态特性良好。

以上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 (10)

1.光纤光栅测斜传感器，其特征在于，包括：

壳体；

旋转驱动机构，悬设于所述壳体内；

连接架，设置在所述壳体内，用于连接所述旋转驱动机构与所述壳体的内壁；所述连接架上设有传力方向相互垂直的两个第一传力臂，各个所述第一传力臂上分别贴设有第一光纤光栅，所述第一光纤光栅分别用于监测相应所述第一传力臂的应变量；以及

配重体，通过连接件与所述旋转驱动机构的驱动轴连接。

2.如权利要求1所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于，还包括：

监测装置，用于监测所述配重体所受拉力与重力是否处于同一直线上。

3.如权利要求2所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述连接件包括套设在所述驱动轴上并与所述驱动轴固定连接的连接套，以及连接所述连接套和所述配重体的第二传力臂；

所述监测装置包括贴设于所述第二传力臂上的第二光纤光栅，所述第二光纤光栅通过监测所述第二传力臂的应变量判断所述配重体所受拉力与重力是否处于同一直线上。

4.如权利要求3所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述壳体为底部开放且中空的立方体；所述壳体上设置有连通所述壳体内腔与外部空间的尾栅口和电力口，所述尾栅口用于供外接数据监测系统的连接线穿入所述壳体内与所述第一光纤光栅和/或所述第二光纤光栅连接，所述电力口用于供外接电力供应装置的连接线穿入所述壳体内与所述旋转驱动机构、所述第一光纤光栅和/或所述第二光纤光栅连接。

5.如权利要求4所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于，所述连接架包括：

固定座，固设于所述壳体的顶板和/或侧壁上；以及

安装壳，悬设于所述壳体内，用于容纳所述旋转驱动机构；

两个所述第一传力臂分别一端通过铰轴与所述固定座铰接，另一端与所述安装壳的外壁固定连接。

6.如权利要求5所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述铰轴的轴向与所述驱动轴的轴向平行。

7.如权利要求5所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述固定座设有两个，一个所述固定座设置在所述壳体的顶板上、与其中一个所述第一传力臂连接，另一个所述固定座设置在所述壳体其中一个侧壁上、与另一个所述第一传力臂连接，所述旋转驱动机构位于设置在所述壳体顶板上的所述固定座的正下方。

8.如权利要求7所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：各个所述固定座分别与所述壳体可拆卸连接。

9.如权利要求8所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：所述壳体的顶板和用于安装所述固定座的侧壁上分别设置有贯穿相应板体的安装孔，各个所述固定座分别插设于相应所述安装孔内。

10.如权利要求9所述的光纤光栅测斜传感器，其特征在于：各个所述固定座还通过螺栓与所述壳体连接。

Images