用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計的製作方法

2023-04-28 08:45:46 1

專利名稱：用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種位移測量裝置，尤其涉及一種用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧 組合式位移計。
背景技術：
以相似理論為基礎的模型試驗，起源於17世紀，經過幾個世紀的發展和完善，到20世 紀70年代，得到了空前的發展和廣泛的應用，其應用領域幾乎涉及科學研究的所有學科。地 下洞室模型試驗正是起始於這一時期，主要是由於交通、水電等工程中一些地下洞室的規模 越來越大，需要認真研究其圍巖的穩定性。這種需要有力地促進了地下洞室模型試驗的發展； 反過來，地下洞室模型試驗解決了工程實際中的許多當時難以解決的問題，推動了大型地下 洞室工程的建設。在國內，地下洞室模型試驗開始於20世紀70年代末期80年代初期，也是 由於工程建設的需要而發展起來的。進行地質力學模型試驗，就必然要進行相應的位移測量。 位移測量多採用位移傳感器進行測量，以下先對國內外一些主要應用於模型試驗的位移測量 方法和設備進行介紹
(1) 在大朝山水電站巖壁吊車梁模型試驗研究採用了百分表對位移標定進行位移測量， 這種古老的方法無法應用無模型內部測點的測量。
(2) 總參工程兵科研三所研製了一套由模型塊體內的預埋件和外部的千分表組成的聯杆 系統，解決了洞壁絕對位移的量測問題。這套系統採用千分表進行測量，精度較低。採用聯 杆件進行位移傳遞，佔用模型內部空間大，並影響模型自身變形。
(3) 山東大學研製了一套由光柵尺，鋼絲繩和模型塊體內預埋件組成的多點位移計系統， 測量精度高。它需要把位移通過鋼絲繩傳遞到模型外部進行測量。當鋼絲繩遇到洞室或其他 不可穿越的結構時，就無法將位移傳遞到外部的光柵尺進行測量。
(4) 在三維模型中，地質構造(如斷層或夾層)內部相對位移的測量十分重要，而內部位移 傳感器並沒有現成的產品。長江科學院研製出一種高精度位移計，採用等強度梁的結構形式， 用0.5 ram厚的磷銅片製成，在梁上、下部共貼4片電阻片,組成全橋電路,使用時將其埋設在 構造面的下盤,其上埋一個固定樁，這樣就可以測量結構面上、下盤的相對位移。這種位移計 可以埋設在模型內部，但是由於位移計只能埋設在測點附件，並採用固定樁進行位移傳遞， 這樣大大破壞了測點周邊模型材料，並阻礙對模型自身的變形，無法應用於兩個洞室間邊牆 的位移測量。

發明內容
本發明的目的就是為了解決目前位移測量裝置體型過大、結構複雜、操作不便、成本高、 測量精度不佳等問題，提供一種具有結構簡單，使用方便，成本低廉且測量精度高等優點的 用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案
一種用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，它包括彈簧單元、調節螺 栓、光纖量測單元以及鋼絲繩，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與光纖量測單元 連接；光纖量測單元另一端則與調節螺栓連接。
所述彈簧單元為直徑5ram 8mra的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲製成，進行串並聯製作成 所需剛度的彈簧單元。
所述光纖量測單元的基體為聚乙烯棒，其上粘貼光纖光柵。
所述聚乙烯棒是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
所述鋼絲繩直徑為0. 5ram,由7X7股細鋼絲絞成。
光柵應變位移計主要由五個部分組成，有彈簧單元、調節螺栓、聚乙烯棒、光纖光柵、
以及鋼絲繩子組成。彈簧直徑為5mm 8mm,可以根據具體的測量要求採用不同直徑的彈簧 鋼絲製作，進行串並聯製作成所需剛度的彈簧單元；調節螺栓可以用來調節位移計的初始狀 態，避免位移計超過量測範圍；聚乙烯棒是粘貼光柵傳感器的基體，彈性模量為50Mpa 100Mpa,製作成3mm直徑的圓棒，剛度較小，在很小的作用力下可以產生較大的應變，對 位移響應的靈敏度高，也可以根據測量要求選用其他材料作為基體；鋼絲繩直徑為O.Smm， 由7X7股細鋼絲絞成，剛度大並且柔軟，用於在位移計受拉時傳遞位移。光纖光柵在受到應 力和溫度改變時，引起光柵布拉格波長漂移，其中溫度產生的波長漂移可以通過設置溫度補 償進行消除，因此以波長的漂移量作為因變量，與光纖應變有對應關係。光纖光柵對應變響 應的靈敏度高，粘貼在聚乙烯棒表面測量聚乙烯棒產生微小形變所引起的光柵波長漂移量， 可使得位移計的精度提高到O.OOlmm。光柵位移計採用彈簧進行受力，不超過彈簧彈性極限 長度的位移都可以測量，同時光柵的極限應變為3000微應變，可使位移計量程達到2mm。 光柵應變位移計所使用的部件都為棒狀，尺寸都不大於8mm,外部採用lcm的塑料管進行保 護，可以埋設在模型內部進行測量。 本發明的有益效果是
(1) 佔用空間小。埋設在模型內部所需空間小，可減少對模型材料的破壞；
(2) 精度高。採用光纖光柵作為應變傳感器，精度較同類位移計高；
(3) 位移計尺寸可變。根據不同類型不同尺寸模型試驗的需要，改變光柵位移計的長度 和直徑，以適應模型試驗的要求。
(4) 可調節性。光柵位移計埋設到模型內部後，因為其他因素是的位移計初始狀態改變， 可以通過調節裝置改變其初始狀態，使其符合以後的量測要求。
(5) 可以埋設於模型內部。在無法將位移傳遞到模型外部進行測量時，可以將懸臂梁式 位移計埋設在模型內部，引出信號線進行測量。


圖l為本發明的結構示意圖。
其中，l.調節螺栓，2.聚乙烯棒，3.光纖光柵，4.彈簧單元，5.鋼絲繩。
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中，它包括彈簧單元4、調節螺栓l、光纖量測單元以及鋼絲繩5，彈簧單元4一端 通過鋼絲繩5固定，另一端與光纖量測單元連接；光纖量測單元另一端則與調節螺栓l連接。
彈簧單元為4直徑5mm 8mm的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲製成，進行串並聯製作成所 需剛度的彈簧單元。
光纖量測單元的基體為聚乙烯棒2，其上粘貼光纖光柵3。
聚乙烯棒2是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
鋼絲繩5直徑為0. 5mm,由7X7股細鋼絲絞成。
光柵應變位移計的主要機理兩段固定點的位移通過鋼絲繩傳遞給彈性元(由彈簧和聚 乙烯棒組成)，彈性元受拉產生的拉力，拉力的大小跟位移大小成正比，同時粘貼光纖光柵的 聚乙烯棒受拉的應變跟拉力也成正比，因而位移與聚乙烯棒拉應變成對應關係。由於光柵傳 感器粘貼在聚乙烯棒上，聚乙烯棒的應變就傳遞給光柵傳感器，光柵傳感器的應變量可以通 過波長漂移量確定出來。因此可以知道位移變化量x是波長入的函數f (入)，即x-f (JO。這 種函數關係通過標定試驗確定。
A.光柵應變位移計設計原理
彈性元件
1.彈性元件的原理
光纖量測單元為一粗細均勻的均質細杆，彈簧單元可以為一個或一組彈簧。
設彈簧單元的剛度係數為Kl，光纖量測單元的抗拉剛度為K2， E為光纖量測單元所用材料的彈性模量，A為細杆的橫截面積，L為細杆的長度。根據結構力學可以得到，光纖量測單元的 抗拉剛度K2=EA/L系統的總剛度為 K= " K2/( " +K2)
彈性元件受力F與位移f的關係為F=Kf ，而在光纖量測單元中應變與力的關係為F-EAe。 可以得到彈性元件的應變與位移的關係e= Kf/ EA 靈敏度為dE/df=K/EA 2.彈性元件的設計
由靈敏度dE/df-K/EA-]/ (L+EA/")，可以看出只要調整光纖量測單元材料的彈性模 量E、細杆的橫截面積A和細杆的長度L以及彈簧單元的剛度係數"就可以根據量測需要調 整彈性元件的靈敏度。設0=1<2 /"為光纖量測單元與彈簧單元的剛度比，又可以得到dE/df =(3/L) /(l+K2/K—3/L(C+l)。
另外，光纖量測單元的材料參數還需要滿足光柵傳感器最大極限應變和光柵自身靈敏度
的要求，並滿足測量的最大量程。設光柵的最大極限應變為Emax，所需要的量測為d，則最大 靈敏度為Emax/d。
令彈性單元靈敏度為e,Jd，則Emax/d = 3/L(C+l)。 L可以根據光柵傳感器最小粘貼所需長 度確定。代入上式就可以確定C。
彈性元件的受到的變形力為F-Kf,其中K-"C/(C+1)。彈性元件受到的變形力越大，其 抵抗外力幹擾能力就越強，穩定性就越高好，但是受到的變形力越大，就阻礙了被測體的變 形。應當根據所被測物的實際條件，確定"值。
也可以根據所選用的光纖量測單元的材料性質，先確定1<2,在根據C求得K。模型試驗 需要的量測為lmm,光柵的極限應變為2000Xl(T6,則最大靈敏度為2。光柵傳感器最小粘 貼所需長度L為7cm。可以得到〔=6.14。
由於模型試驗測量的邊牆位移為被動位移，變形力過大會阻礙邊牆位移，因而彈性元件 所受變形力應當小一些，並且能滿足穩定性要求。選用的材料為聚乙烯圓棒，彈性模量E為 50 100Mpa,取100Mpa。圓棒子直徑為3mm。 K2=10092N/mm, Ki=1643 N/mm。
B.光纖光柵應變測量
光纖光柵應變測量原理
在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中,最直接的為應力參量。應力引起光柵布拉 格波長漂移可以由下式描述
式中AAB是波長漂移量，neff是光纖的有效折射率，AA表示光纖本身在應力作用下的彈 性變形，Aneff表示光纖的彈光效應，A表示光線光柵的柵距。外界不同的應力狀態將導致AA 和厶neff的不同變化。經過推導得
AXbAb = {0.5 (neff) 2[(Pn+P餘Pd+l) ￡=ke (2) 式中:Ab為反射光的初始波長，Pu， Pu為光纖材料的光彈性係數，neff是光纖的有效折射率， v為光纖材料的泊松比，k即為光纖光柵由彈光效應引起的波長漂移縱向應變靈敏度係數，e 光纖材料的軸向應變值。利用純熔融石英的參數,Pu-0.121,Pi2-0.270,v-0.17,nefFl.456,可得光 纖光柵相對波長漂移應變靈敏度係數k=0.784。同時,與外加應力相似,外界溫度的改變同樣也 會引起光纖光柵Bragg波長的漂移。在模型中埋入了一個封裝好的溫度傳感器,該傳感器只感 受溫度的變化,不受應變的影響,以便對光纖光柵應變傳感器進行溫度補償。
AXbAb = k￡可以看出漂移量與應變在一定應變範圍內是基本成線性的。 公式可以變為AXB-kXBe,左右都加上入b,得到\=1<\8￡+入8， A為布拉格光柵的波長。因此 可以標定X與e的關係。
權利要求
1.一種用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，它包括彈簧單元、調節螺栓、光纖量測單元以及鋼絲繩，其特徵是，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與光纖量測單元連接；光纖量測單元另一端則與調節螺栓連接。
2. 如權利要求1所述的用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，其特徵 是，所述彈簧單元為直徑5mm 8mm的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲製成，進行串並聯製作成 所需剛度的彈簧單元。
3. 如權利要求1所述的用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，其特徵 是，所述光纖量測單元為聚乙烯棒，其上粘貼光纖光柵。
4. 如權利要求3所述的用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，其特徵 是，所述聚乙烯棒是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
5. 如權利要求1所述的用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計，其特徵 是，所述鋼絲繩直徑為0. 5mm,由7X7股細鋼絲絞成。
全文摘要
本發明公開了一種用於模型試驗的微型內置拉伸型光纖彈簧組合式位移計。它解決了目前位移測量裝置結構複雜，操作不便，成本高，測量精度不佳等問題，具有結構簡單，使用方便，成本低廉且測量精度高等優點。其結構為它包括彈簧單元、調節螺栓、量測單元以及鋼絲繩，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與量測單元連接；量測單元另一端則與調節螺栓連接。
文檔編號G01B11/02GK101344381SQ20081013897
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月18日 優先權日2008年8月18日
發明者孫林鋒, 朱維申, 李術才, 隋青美, 蒙 黃 申請人:山東大學