光纖光柵風壓傳感器的製作方法

2023-07-07 18:42:01 2

專利名稱：光纖光柵風壓傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於橋梁結構、高聳結構、大跨度空間結構和冷卻塔等土木工程結構物表面風壓風向現場實測的光纖光柵風壓傳感器，主要應用於土木工程結構物抵抗強風等惡劣環境能力試驗、結構物表面風壓風向監測技術領域和風工程領域。
背景技術：
風壓傳感器是獲取土木工程結構物表面風壓數據的重要設備，現有的風壓傳感器主要分兩種類型。一種是採用畢託管原理的多通路壓差系統來測量風速與風壓。然而，畢託管不能測脈動風壓，只能測靜風壓，並且其在潮溼氣候環境下容易導致管內積水從而使得測量值偏小，長期置於粉塵濃度較高的環境中監測容易引起畢託管堵塞。並且這種風壓傳感器不適合安裝在各類型工程結構物表面，很難實現對結構物所處實際風環境進行長期實時監測。此外，壓力導管組成的測壓管路系統易發生管腔共振，使輸出信號發生畸變，影響測量數據的準確性。另一種是採用矽阻原理的壓阻式傳感器。雖然其線性度好，靈敏度相對較高，可實現微、低壓測量。但是，從原理上講，壓阻式傳感器是以矽材料為基礎的物性型傳感器，矽材料受環境溫度影響較大，會產生很大的零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移，且漂移形式多樣，對提高器件的穩定性很不利，極大限制了矽壓阻壓力傳感器的廣泛應用。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種光纖光柵風壓傳感器，適應不同野外環境和惡劣氣象條件下的測試要求，選用薄球殼的主體受力系統結合光纖光柵作為主要傳感元件，結構物表面的風壓直接作用於風壓傳感器的受力系統薄球殼上，在風壓作用下，球殼發生變形，使彈簧伸長，且彈簧伸縮量與作用在球殼表面的風壓成正比，即風壓越大，彈簧伸縮量也越大，通過光纖光柵傳感器監測到這一變化即可反算出風壓的大小及風向。不僅滿足土木工程結構物表面對風壓的測量要求，還能夠測量出風向，準確地測得結構物所處的實際風場下表面風壓特性。為了解決以上的技術問題，本實用新型提供了一種光纖光柵風壓傳感器，該風壓傳感器包括受力系統、傳感系統和限位系統，所述受力系統包括薄球殼和連接塊；所述傳感系統包括傳力杆、傳感元件、封裝盒和定位杆，其中傳感元件是由光纖光柵和彈簧共同組成；所述限位系統包括總線路管、滑動支座、導槽、限位板、螺栓孔和底板。所述受力系統中的四個連接塊對稱正交固定於薄球殼的底部，四個連接塊與限位系統中的滑動支座鉸接；所述傳感系統中的四根傳力杆外端分別與四個滑動支座連接，四根傳力杆呈十字交叉型，十字交叉點固結於定位杆上，定位杆插入限位系統的總線路管中，傳力杆與傳感元件串聯，傳感元件外套封裝盒，傳感元件中的光纖光柵和彈簧並聯；限位系統中的滑動支座和限位板位於導槽中，滑動支座在限位板間沿著彈簧伸長或縮短的方向自由滑動，薄球殼表面直接承受風壓產生變形，使彈簧伸長或縮短，通過與彈簧並聯的光纖光柵測出彈簧的伸縮量，反算出風壓和風向。所述連接塊與滑動支座的鉸接是通過銷軸連接，不限制平面內的轉角，可以自由轉動。並且這種連接方式使得安裝和拆卸簡單，可更換。傳感元件外套封裝盒，起到防水防塵，保護光纖光柵的作用。所述限位系統中滑動支座和限位板位於導槽中，滑動支座可在限位板間沿著彈簧伸長或縮短的方向滑動；在四個導槽間各留有一個用於固定光纖光柵風壓傳感器的螺栓孔；所述限位系統中的底板可根據待測結構物表面的情況確定外形，常用的形式是圓形和方形。本實用新型測量風壓的工作機制描述如下:所述受力系統中的薄球殼表面直接承受風壓並產生變形，使彈簧伸長或縮短，通過與彈簧並聯的光纖光柵測出彈簧的伸縮量，反算出風壓和風向。所述傳感系統中彈簧的伸縮量與風壓有很好的線性關係，只需選取少量的樣本進行標定即可。所述薄球殼採用耐腐蝕性與抗疲勞性強的材料，保證本傳感器具有較長的使用壽命O所述傳感系統中的定位杆和限位系統中總導線管中設有線路管道，使各測量線路走線集中、規範，便於測量。所述限位系統中設有限位板，可以根據現場實測風場環境，選用不同的限位區間，既能滿足微風測試要求，也能滿足強風測試要求。同時，與一般傳感器相比，在操作不當等原因引起的超限荷載下，本傳感器還能保護光纖光柵不會超量程。所述限位系統中的四個螺栓孔不僅可以固定在土木工程結構物的混凝土材料和鋼材表面以滿足長期監測要求，還能固定在支架上滿足短期監測要求本實用新型具有以下有益效果:(I)本光纖光柵風壓傳感器不僅可以測量正風壓，還能測量負風壓，並能測量風向；(2)本光纖光柵風壓傳感器採用光纖光柵作為主要的傳感元件，與普通機械、電子類傳感器相比，不僅測量值空間解析度高、輸出線性範圍寬、頻帶寬、信噪比高、傳輸容量大、傳輸損耗小、化學性能穩定、電絕緣性能好、體積小、重量輕、幾何形狀可塑等優點，還能在強電磁幹擾、雨水、高溫等惡劣環境下正常工作；(3)本光纖光柵風壓傳感器不僅可實現多點分布式測量、還能實現遠距離遙控監測，有望促進實測手段的不斷進步，進而大規模開展結構風荷載實測，獲得大量的寶貴的實測數據，所測數據結果將為結構在極端氣象條件下的安全監測提供有效的依據，並為掌握結構風荷載作用機理和結構動力響應及破壞機理提供直接的資料，為修正現有試驗方法、理論模型和制定建築荷載規範提供依據，具有廣泛的工程應用前景。

圖1為本實用新型的縱剖面示意圖；圖2為本實用新型立體結構示意圖；圖3為本實用新型中受力系統的立體示意圖；[0024]圖4為本實用新型中傳感系統的立體示意圖；圖5為本實用新型中傳感元件的結構示意圖；圖6為本實用新型中限位系統的立體示意圖；圖7為本實用新型中滑動支座的結構示意圖；圖中標號說明I—受力系統；11—薄球殼；12—連接塊；2—傳感系統；21—傳感元件；211—彈簧；212—光纖光柵；22—傳力杆；23—定位杆；24—封裝盒；3—限位系統；31—總線路管； 32—滑動支座；321—銷軸；322—底座；323—滑輪；33—限位板；34—導槽；35—螺栓孔；36—底板。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細說明:如圖1及圖2所示，本實用新型提供了一種光纖光柵風壓傳感器，包括:受力系統I ;傳感系統2 ;限位系統3。如圖3所示的受力系統I中的四個連接塊12對稱正交固定於薄球殼11的底部，，四個連接塊12與限位系統3中的滑動支座32鉸接。所述薄球殼採用耐腐蝕性與抗疲勞性強的材料，保證本傳感器具有較長的使用壽命。如圖4所示的傳感系統2和限位系統3之間的連接是通過將四根傳力杆22外端與四個滑動支座32連接實現。四根傳力杆22呈十字交叉型，十字交叉點固結到定位杆23上，定位杆23插入限位系統3的總線路管31中。傳感元件21與傳力杆22串聯。如圖5所示的傳感元件21中的光纖光柵212和彈簧211並聯，傳感元件21外套封裝盒24，具有防水防塵，保護光纖光柵212的功能。如圖6所示的限位系統3中的滑動支座32和限位板33位於導槽34中，滑動支座32可在限位板33間沿著彈簧211伸長或縮短的方向滑動。限位系統3在四個導槽34間各留有一個螺栓孔35，可通過螺栓將風壓傳感器固定在待測結構物表面。限位系統3中的底板36可根據待測結構物表面的情況確定外形，常用的形式是圓形和方形，如圖7所示的滑動支座32是由銷軸321、底座322和滑輪323組成，底座322通過銷軸321與連接塊12鉸接，不限制平面內的轉角，可以自由轉動，使得受力系統I安裝和拆卸簡單，便於更換。滑輪323位於底座322底部，使滑動支座32可以沿導槽34滑動。[0049]本實用新型以薄球殼11為主體受力結構，直接承受風壓作用。在風壓作用下，薄球殼11變形，使彈簧212伸長或縮短，即可根據本傳感器的力學模型，求解風壓與彈簧212伸縮量的函數關係，把對風壓的監測轉化為對彈簧212伸縮量的監測。光纖光柵213與彈簧212並聯，光纖光柵213柵區間隔的改變量即彈簧212的伸縮量，因此，本傳感器可通過光纖光柵213所監測的數據反算出風壓。和風向。在本實用新型的光纖光柵風壓傳感器中，所述傳感系統2中彈簧212的伸縮量與風壓有很好的線性關係，使得本風壓傳感器只需選取少量的樣本進行標定即可。所述傳感系統2中的定位杆23和限位系統3中總導線管31中設有線路管道，使各測量線路走線集中、規範，便於測量。所述限位系統3中設有限位板33，可以根據現場實測風場環境，選用不同的限位區間，既能滿足微風測試要求，也能滿足強風測試要求。同時，與一般傳感器相比，在操作不當等原因引起的超限荷載下，本傳感器還能保護光纖光柵不會超過量程。所述限位系統3中的四個螺栓孔35不僅可以固定在土木工程結構物的混凝土材料和鋼材表面以滿足長期監測要求，還能固定在支架上滿足短期監測要求。上述的對本傳感器的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本實用新型。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對本傳感器做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他傳感器中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本實用新型的揭示，不脫離本實用新型範疇所做出的改進和修改都應該在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種光纖光柵風壓傳感器，其特徵在於:該風壓傳感器包括受力系統、傳感系統和限位系統，所述受力系統中的四個連接塊對稱正交固定於薄球殼的底部，四個連接塊與限位系統中的滑動支座鉸接；所述傳感系統中的四根傳力杆外端分別與四個滑動支座連接，四根傳力杆呈十字交叉型，十字交叉點固結於定位杆上，定位杆插入限位系統的總線路管中，傳力杆與傳感元件串聯，傳感元件外套封裝盒，傳感元件中的光纖光柵和彈簧並聯；限位系統中的滑動支座和限位板位於導槽中，滑動支座在限位板間沿著彈簧伸長或縮短的方向自由滑動，薄球殼表面直接承受風壓產生變形，使彈簧伸長或縮短，通過與彈簧並聯的光纖光柵測出彈簧的伸縮量，反算出風壓和風向。
2.根據權利要求1所述的光纖光柵風壓傳感器，其特徵在於:所述限位系統在四個導槽間各留有一個用於固定光纖光柵風壓傳感器的螺栓孔。
3.根據權利要求1所述的光纖光柵風壓傳感器，其特徵在於:所述連接塊與滑動支座的鉸接是通過銷軸連接。
4.根據權利要求1所述的光纖光柵風壓傳感器，其特徵在於:所述限位系統中的底板根據待測結構物表面的情況確定外形，常用的形式為圓形或為方形。
專利摘要本實用新型公開一種光纖光柵風壓傳感器，包括受力系統、傳感系統和限位系統，受力系統中的四個連接塊對稱正交固定於薄球殼的底部，四個連接塊與滑動支座鉸接；傳感系統中的四根傳力杆外端分別與四個滑動支座連接，四根傳力杆呈十字交叉型，十字交叉點固結於定位杆上，定位杆插入總線路管中，傳力杆與傳感元件串聯，傳感元件中的光纖光柵和彈簧並聯；滑動支座和限位板位於導槽中，滑動支座在限位板間沿著彈簧伸長或縮短的方向自由滑動，薄球殼表面直接承受風壓產生變形，使彈簧伸長或縮短，通過與彈簧並聯的光纖光柵測出彈簧的伸縮量，反算出風壓和風向。本實用新型的優點是可安裝/拆卸以及便攜功能，能夠在不同的環境下工作，滿足現場實測過程中不同的土木工程結構物表面風壓風向監測，不僅可測正風壓，還能測負風壓，以及360度風攻角的測量，實現多點分布式測量，實現遠距離遙控監測。
文檔編號G01L11/02GK203069312SQ201320012780
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者淡丹輝, 肖容, 白午龍, 程緯, 趙一鳴 申請人:同濟大學, 上海同翼工程科技有限公司