一種高靈敏度光纖光柵土壓力計的製作方法
2023-07-30 14:50:46 1
專利名稱：一種高靈敏度光纖光柵土壓力計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有溫度自補償功能的高靈敏度光纖光柵土壓力計，特別是一種可用於地質力學模型試驗與土木工程中，對巖體和土體等固體介質中的土壓力的變化規律進行實時、準分布式監測的土壓力計。
背景技術：
在填土、路基、堤壩、灰壩、軟基等土木工程以及地質力學模型試驗中，巖體或土體等固體介質壓力是重要工程參數。目前土壓力參數的測量多採用膜片結構，且大多使用電阻應變式、振弦式等電類土壓力傳感器，該類基於電信號的傳感器精度低，易受電磁幹擾，防水性能差，長期使用穩定性差，且不易組網進行以分布式場參數的監測。光纖光柵是一種對溫度和應變敏感的光學無源器件，它靈敏度高、響應速度快、動態範圍寬、重量輕、結構靈活、抗腐蝕、耐高溫、抗電磁幹擾、防水性能好、且無電火花隱患可在易燃易爆等惡劣環境中工作，同時，光纖光柵傳感器採用波長編碼，不受傳輸過程中強度信號影響，穩定性好，抗幹擾能力強；並且便於構成光纖傳感網絡實現準分布式測量。基於光纖光柵的土壓力傳感器，其關鍵在於通過某種結構將沿光纖光柵徑向的土壓力轉化為光纖光柵軸向的應變，現有的光纖光柵土壓力傳感器在解決該問題時多採用膜片與懸臂梁或簡支梁相結合的方式，或者採用與這類結構原理相同的構造，將膜片中心的位移轉換為梁的表面應變，這種方式會導致光纖在應力下產生彎曲或受力不均，產生光強損耗甚至啁啾現象，並且靈敏度低，無法滿足工程及試驗中高靈敏度測量的需求。
發明內容
基於上述分析，本發明提供一種測量靈敏度高，穩定性好，抗幹擾能力強，防水性能好，可實現多點實時準分布式監測，且不會造成光柵受力不均而對測量結果產生影響的高靈敏度光纖光柵土壓力計。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案
一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，包括外殼、壓力敏感部件、壓力測量部件和固定盤，所述的壓力敏感部件、壓力測量部件、固定盤設於保護殼體內，所述的殼體的上端設有承壓盤，殼體壁上有兩組過孔；所述的壓力敏感部件包括波紋膜片、傳力杆，所述的波紋膜片橫向穿過傳力杆，且波紋膜片的兩端與殼體剛性連接，傳力杆一端與固定盤連接，另一端與承壓盤中心連接；所述的壓力測量部件包括軸承、鋼絲、測量光柵和光纖，所述的軸承的中心軸穿過殼體壁的一組過孔，所述的光纖的兩端穿過殼體壁上的另一組過孔，測量光柵刻制於光纖上，測量光柵一端與鋼絲連接，另一端固定於光纖引出孔上，所述的鋼絲繞過軸承與固定盤連接。所述殼體為圓柱腔體，殼體的下端設有圓盤端蓋，所述的波紋膜片的兩端通過環形緊固圈與殼體剛性連接，所述的測量光柵一端與鋼絲通過膠體連接。所述承壓盤中心部分向內側突出，承壓盤的突出部分設有與傳力杆配合的盲孔螺紋·
所述軸承設有用於放置鋼絲的凹槽，軸承的中心軸固定於殼體上，所述的固定盤中心也有與傳力杆配合的盲孔螺紋，固定盤邊緣開有用於固定鋼絲的凹槽；所述的鋼絲繞過微型軸承粘接在固定盤的凹槽內。所述傳力杆兩端直徑小於中部直徑，且兩端均帶有螺紋。所述的波紋膜片圓心設有過孔，過孔內徑與傳力杆螺紋端外徑匹配，且小於傳力杆中部直徑。所述的承壓盤、波紋膜片、固定盤三者同心。所述的兩組過孔的中心線相互垂直，且兩組過孔的中心線相對於殼體中心線偏心設置，所述的軸承是微型軸承。裝置還包括環形緊固圈，所述的環形緊固圈與外殼螺紋連接，所述的環形緊固圈與承壓盤之間設有橡膠密封圈。裝置還包括溫補光柵，溫補光柵與側量光柵為同一條光纖上刻制的兩個光柵，兩光柵相串聯，所述的溫補光柵兩端連接到固定於殼體側壁上，溫補光柵呈彎曲狀，且與測量光柵分布在中心軸的兩側。本發明的高靈敏度光纖光柵土壓力計，包括殼體，殼體側壁開有兩組過孔，一組用於安裝帶有微型軸承的鋼杆，另一組用於引出光纖。殼體一端連接圓盤端蓋，另一端通過環形緊固圈與波紋膜片剛性連接。帶有螺紋的傳力杆穿過波紋膜片中心的過孔與承壓圓盤中心固定，傳力杆的另一端連接邊緣開有凹槽的固定盤。測量光柵與溫補光柵串聯，鋼絲一端與兩光柵之間的光纖膠接，另一端繞過帶有凹槽的微型軸承膠接在固定盤的凹槽內。溫補光柵兩端固定在置於殼體側壁的溫補光柵固定座上，兩座之間光纖微彎。環形緊固圈與承壓盤之間設有橡膠密封圈，光纖從殼體壁兩側的光纖引出孔中引出。在使用時將土壓力計埋設於結構物表面或巖體土體等固體介質中直接量測固體介質的自由場應力或表面壓力。剛性的承壓圓盤與介質接觸感受外界壓力並避免承壓盤上表面的應力分布不均，不考慮橡膠密封圈所受壓力，外界壓力通過傳力杆轉化為集中力全部作用于波紋膜片中心使波紋膜片中心產生位移，從而在膠接於固定盤鋼絲的一端產生拉力，該拉力通過的微型軸承轉化為測量光柵的軸向應力，從而引起測量光柵中心波長的漂移。溫補光柵用於補償環境溫度，在測量過程中不受拉力影響。橡膠密封圈與承壓盤接觸，防止測量過程中固體介質進入土壓力計內部影響測量結果。使用光纖光柵波長解調儀檢測測量光柵與溫補光柵的中心波長，由軟體採集分析數據，得到被測土壓力與中心波長的對應關係。本發明的有益效果是它採用剛性承壓盤作為一次受力部件，避免了膜片形變導致的應力分布不均，採用波紋膜片作為二次受力部件，且將膜片中心位移直接轉化為測量光柵的軸向應變，靈敏度高，內置的溫補光柵可用於補償溫度影響。本發明基於全光信號設計，穩定性好，抗電磁幹擾，防水性能好且無電火花隱患，便於實現準分布式多點實時監測。
圖1為本發明高靈敏度光纖光柵土壓力計的正視剖面圖； 圖2為本發明高靈敏度光纖光柵土壓力計的俯視剖面結構簡 圖中1.承壓盤，2.環形緊固圈，3.密封圈，4.殼體，5.圓盤端蓋，6.波紋膜片，7.測量光柵，8.溫補光柵，9.鋼杆，10.鋼絲，11.微型軸承，12.固定盤，13.傳力杆，14.溫補光柵固定座，15.光纖，16.光纖引出孔。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。圖1、圖2中，殼體4側壁開有兩組過孔，一組用於安裝帶有微型軸承11的鋼杆9，另一組用於引出光纖15。殼體4 一端連接圓盤端蓋5，另一端通過環形緊固圈2與波紋膜片6剛性連接。帶有螺紋的傳力杆13穿過波紋膜片6中心的過孔與承壓圓盤I中心固定，傳力杆13的另一端連接邊緣開有凹槽的固定盤12。測量光柵7與溫補光柵8串聯，鋼絲10 一端與兩光柵之間的光纖15膠接，另一端繞過帶有凹槽的微型軸承11膠接在固定盤12的凹槽內。溫補光柵8兩端固定在置於殼體4側壁的溫補光柵固定座14上,兩座之間光纖微彎。環形緊固圈2與承壓盤I之間設有橡膠密封圈3，光纖15從殼體4壁兩側的光纖引出孔16中引出。鋼絲10與固定盤12粘接之前必須預拉伸鋼絲10，確保鋼絲10拉直，避免出現測量過程中鋼絲10彎曲導致解析度低，影響測量結果。環形緊固圈2與承壓盤I之間設有密封圈3，用於防止固體介質進入波紋膜片6與承壓盤I之間，影響傳感器性能。密封圈3選用軟橡膠材料，以保證密封圈3對承壓盤I的反彈力最小。環形緊固圈2和圓盤端蓋5與殼體4之間均為螺紋連接。承壓盤1、波紋膜片6、固定盤12是同心的。殼體4為圓柱腔體，鋼杆9與光纖引出孔16均不經過圓柱的軸心。當受到固體介質壓力，承壓盤I感受併集中該壓力，並經過傳力杆13作用于波紋膜片6的中心，使其產生形變，該形變通過傳力杆13拉動鋼絲10，鋼絲10所受拉力經微型軸承11轉向對測量光柵7產生拉壓作用，從而引起測量光柵7中心波長產生漂移。溫補光柵8不受拉力影響，用於補償環境溫度變化。本發明的具體製作過程為首先，將鋼絲10粘貼在測量光柵7與溫補光柵8之間的光纖15上，將光纖15穿過光纖引出孔16。固定溫補光柵8座於殼體4內壁的合適位置，並將鋼杆9 一端插入殼體4的過孔，微型軸承11穿過鋼杆9，在其凹槽與鋼絲10重合位置與鋼杆9固定，鋼杆9兩端的過孔使用膠黏劑封死。然後，將溫補光柵8微彎，粘貼在溫補光柵固定座14上。使用環形緊固圈2固定波紋膜片6與殼體4，並放置密封圈3，把傳力杆13穿過波紋膜片6中間的過孔，通過螺紋與承壓盤I連接，傳力杆13另一端與鋼絲12固定盤固定。最後，使用膠黏劑將測量光柵7的一端固定在光纖引出孔16，保持鋼絲10為拉緊狀態其另一端繞過微型軸承11穿過固定盤12邊緣的凹槽，使用快固型膠黏劑填充鋼絲10與凹槽，待膠完全凝固後蓋好圓盤端蓋5。在現場檢測時，首先將土壓力計埋設於被測介質內，承壓盤I感受被測壓力，使用光纖光柵波長解調儀對測量光柵7與溫補光柵8的波長漂移同時進行監測，經過軟體處理數據，消除溫度影響，並將測得的波長變化轉化為相應的土壓力值。
權利要求
1.一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，包括外殼、壓力敏感部件、壓力測量部件和固定盤，所述的壓力敏感部件、壓力測量部件、固定盤設於保護殼體內，其特徵在於所述的殼體的上端設有承壓盤，殼體壁上有兩組過孔；所述的壓力敏感部件包括波紋膜片、傳力杆，所述的波紋膜片橫向穿過傳力杆，且波紋膜片的兩端與殼體剛性連接，傳力杆一端與固定盤連接，另一端與承壓盤中心連接；所述的壓力測量部件包括軸承、鋼絲、測量光柵和光纖，所述的軸承的中心軸穿過殼體壁的一組過孔，所述的光纖的兩端穿過殼體壁上的另一組過孔，測量光柵刻制於光纖上，測量光柵一端與鋼絲連接，另一端固定於光纖引出孔上，所述的鋼絲繞過軸承與固定盤連接。
2.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述殼體為圓柱腔體，殼體的下端設有圓盤端蓋，所述的波紋膜片的兩端通過環形緊固圈與殼體剛性連接，所述的測量光柵一端與鋼絲通過膠體連接。
3.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述承壓盤中心部分向內側突出，承壓盤的突出部分設有與傳力杆配合的盲孔螺紋。
4.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述軸承設有用於放置鋼絲的凹槽，軸承的中心軸固定於殼體上，所述的固定盤中心也有與傳力杆配合的盲孔螺紋，固定盤邊緣開有用於固定鋼絲的凹槽；所述的鋼絲繞過微型軸承粘接在固定盤的凹槽內。
5.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述傳力杆兩端直徑小於中部直徑，且兩端均帶有螺紋。
6.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述的波紋膜片圓心設有過孔，過孔內徑與傳力杆螺紋端外徑匹配，且小於傳力杆中部直徑。
7.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述的承壓盤、波紋膜片、固定盤三者同心。
8.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於所述的兩組過孔的中心線相互垂直，且兩組過孔的中心線相對於殼體中心線偏心設置，所述的軸承是微型軸承。
9.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於還包括環形緊固圈，所述的環形緊固圈與外殼螺紋連接，所述的環形緊固圈與承壓盤之間設有橡膠密封圈。
10.如權利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，其特徵在於還包括溫補光柵，溫補光柵與側量光柵為同一條光纖上刻制的兩個光柵，兩光柵相串聯，所述的溫補光柵兩端連接到固定於殼體側壁上，溫補光柵呈彎曲狀，且與測量光柵分布在中心軸的兩側。
全文摘要
本發明涉及一種高靈敏度光纖光柵土壓力計，它包括殼體，殼體一端與圓盤端蓋通過螺紋連接，另一端使用環形緊固圈與波紋膜片剛性連接；波紋膜片中心插入傳力杆，傳力杆一端連接邊緣有開槽的固定盤，另一端與圓形承壓盤中心螺紋連接；殼體壁有兩組過孔，一組用於插入連接微型軸承的鋼杆，另一組為光纖引出孔；測量光柵與鋼絲通過膠體連接，鋼絲繞過微型軸承與固定盤連接，溫補光柵兩端連接到固定於殼體側壁的溫補光柵固定座上，溫補光柵與測量光柵串聯，通過光纖引出孔雙端出纖。它靈敏度高，穩定性好，抗幹擾能力強，防水性能好，可實現多點實時準分布式監測。
文檔編號G01L1/24GK103017950SQ20121048878
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者王正方, 隋青美, 王靜, 王寧, 蔣善超, 楊帥, 路士增, 賈磊, 張法業, 曹玉強 申請人:山東大學