一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測量方法與流程
2024-03-21 01:09:05
本發明涉及一種水位水壓力測量方法，尤其是一種採用光纖光柵水壓力傳感器的測量方法。
背景技術：
光纖光柵簡稱fbg，fbg傳感器是20世紀90年代傳感領域較好的發明創造，它是以fbg為核心器件而產生的傳感器產品，而fbg又是一種光纖無源器件，具有可靠性好、測量精度高、能夠進行實時監測、抗電磁幹擾以及抗雷擊等特點。因此，目前在石油行業、礦業及建築結構安全監測等領域，主要利用光纖光柵傳感器替代老式的電信號傳感器。在水壓力的測量領域，光纖光柵傳感器得到了廣泛的應用。
公開號為cn201903426u，名稱為一種「光柵水壓力傳感器」，光柵直接附著於應邊框上，在測量時，一定程度上提高了傳感器的穩定性，但這種水壓力傳感器的測量方法存在兩點不足，其一，光柵直接附著於應邊框上，但在測量時並不能排除空氣的空腔影響，從而導致初始測量值可靠性降低；其二，在實際操作中，膜片的強度和測量對象強度需要保證在合理範圍內，這樣才能得到可靠的應力-應變曲線，從而保證測量數據的可靠性。
公開號為cn202757726u，名稱為「光柵水壓力傳感器」，採用了膜片配合應邊框的方式，在測量時，雖在一定程度上提高了結構的穩定性，但在計算某一數值時，需要考慮測量介質強度，同時要用控制變量的方法來精確計算，所以這種方法會使測量的準確性降低。
公開號為cn203595575u公開了一種「微型動態滲透水壓力傳感器」，主要是將拉好的光纖光柵通過高頻加熱的方法將光柵直接固定在相對活動的結構件兩端，通過膜片的受力變化改變兩相對活動件間的拉緊情況。由於是變形直接作用在光柵上，懸空的光柵非常脆弱，輕微的剪力均可造成光柵斷裂，從而造成傳感器的損壞，影響了測量的可靠性。
採用現有水壓力傳感器的測量方法，來測量不同水位的水壓力和孔隙水壓力存在一定缺點，因此，尋求一種安全高效的測量方法對水壓力的測量具有重要的作用。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術存在的不足，本發明提供一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測量方法。
具體測量方法的技術方案如下。
一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測量方法，所述測量方法是通過一光纖光柵水壓力傳感器來實現的，具體測量不同水位的方法是按以下步驟進行的：
ⅰ、用光纖光柵水壓力傳感器測量時，將缸蓋擰開，水通過透水座內的透水石進入到位移活塞及其透水座的空腔內；
ⅱ、水壓力作用於位移活塞，位移活塞觸碰光柵彈片內的彈片使其發生撓度變化，帶動附著於彈片上的光柵發生波長變化；
ⅲ、通過光柵及鎧裝光纜將光信號傳輸於解調儀，經過解調儀將信號進行解調，獲得水位及孔隙水壓力的變化規律；
ⅳ、根據計算公式，壓力p與水位高度h成線性關係，通過測量得到的水壓力可以求出水位高度h，其中為被測量水體的密度；g為當地的重力加速度。
進一步的附加技術特徵如下。
所述一光纖光柵水壓力傳感器是由所述透水缸體與所述光柵倉體垂直固定設置構成。
所述透水缸體一端連接固定有光柵倉體構成活塞腔室，所述活塞腔室內置有位移活塞及其懸臂傳感杆；所述懸臂傳感杆的根部套設有復位彈簧、尖狀前端頭穿過光柵倉壁觸碰有光柵倉體內設置的彈片及其彈片光柵；另一端缸體外殼內設有透水座，並嵌設有缸蓋及其透水石；
所述光柵倉體是豎直設置，其內底端面中心位置固定有彈片及其彈片光柵，並在彈片的上端頭觸碰有懸臂傳感杆的尖端；在彈片光柵的側面附著有光柵，光柵頂端通過導線連接有鎧裝接頭；其內頂端通過上塞由環氧樹脂封口固定，並在上塞中央由環氧樹脂通過卡環和鎧裝接頭連接固定有鎧裝光纜及其橡膠套。
所述復位彈簧的彈力是隨孔隙水壓力變化而變化。
所述懸臂傳感杆的剛度與所述彈片的剛度一致。
所述彈片的剛度與所述光柵彈片的剛度一致。
所述透水缸體與所述光柵倉體是密封腔室。
上述所提供的一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測量方法的技術方案，與現有技術相比，其優點與積極效果在於：本發明通過傳感器與測量介質直接接觸，排除了空氣的空腔影響，解決了現有技術中初始測量值可靠性低的問題；本發明光纖光柵水壓力傳感器中使用的彈片是等強度彈片，所以在計算某一數值時，只需控制懸臂梁的強度一致，不需考慮懸臂梁的強度，這樣會極大的提升測量的效率；移動活塞和復位彈簧實現了不間斷地重複測量且測量誤差也降低了很多。因此，本發明能非常有效的提高水壓力測量的準確性和穩定性。
附圖說明
圖1是本發明的光纖光柵水壓力傳感器的整體結構剖視圖。
圖2是本發明的光纖光柵水壓力傳感器的透水缸體結構剖視圖。
圖3是本發明的光纖光柵水壓力傳感器的光柵倉體結構剖視圖。
圖4是本發明的光纖光柵水壓力傳感器的彈片受力圖。
圖中：1：透水缸體；2：光柵倉體；3：缸蓋；4：活塞腔室；5：位移活塞；6：懸臂傳感杆；7：光柵倉壁；8：彈片光柵；9：復位彈簧；10：缸體外殼；11：透水座；12：透水石；13：上塞；14：導線；15：鎧裝光纜；16：環氧樹脂；17：卡環；18：鎧裝接頭；19：橡膠套；20：彈片；21：光柵。
具體實施方式
下面對本發明的具體實施方案做出進一步的說明。
實施本發明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測量方法，該測量方法是通過一圓形結構的或者是方形結構的光纖光柵水壓力傳感器來實現的，該傳感器包括透水缸體1及其光柵倉體2，嵌入該透水缸體1前端的透水座11，嵌入該透水座11內部的透水石12，連接在光柵倉前端及缸體內壁上的位移活塞5，插入位移活塞5的復位彈簧9，位移活塞5與光柵倉體2之間連接著等強度的彈片20，嵌入該光柵倉體2中的光柵21，插入該光柵倉體2的上塞13，插入該上塞13內的鎧裝光纜15，該光柵21通過光纖與鎧裝光纜15相連接構成。
本水位測量及孔隙水壓力測量傳感器的測量方法的測量力學原理如下：
（1）由附圖4受力分析知，彈片20橫截面的正應力：其中，ε為彈片發生的應變；e為所用等強度彈片的彈性模量。
（2）彈片20橫截面的彎矩為：，其中，f為對懸臂梁施加的力；l為力的作用點到彈片固定點的距離，由彈片的形狀可知，其抗彎截面距為：式中：w為抗彎截面距；h為彈片的厚度；b為彈片的寬度。
（3）故彈片20所受的正應力與應變之間的關係式為：，彈片20的位移被光柵的波長變化記錄下來，通過應力應變公式求得作用於彈片20的力的大小，這個力就是水壓力的大小。
本光纖光柵傳感器測量不同水位的方法是按以下步驟進行的：
（1）在測量水池、湖泊的水位時，將光纖光柵水壓力傳感器放入水中，水通過透水座11內的透水石12進入到位移活塞5和透水座11的空腔內。
（2）水壓力會作用於位移活塞5，位移活塞5通過懸臂傳感杆6擠壓光柵倉體2內的等強度彈片20，使其發生撓度變化，帶動連接在等強度彈片20的光柵21發生波長變化。
（3）再通過光柵21和鎧裝光纜15將光信號傳輸出來，經過解調儀將信號解調出來，從而得到水壓力的變化規律。
（4）根據計算公式。壓力p與水位高度h成線性關係，通過測得的水壓力可以間接得到水位高度h。
下面結合附圖及實施例對本發明的具體實施方案做出進一步的說明。
實施例1
實施本發明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器的技術方案，該光纖光柵傳感器的圓形缸體外殼10和光柵倉壁7是採用316不鏽鋼材料，並進行封焊處理，這樣可以防止測量時有滲水現象發生。
本實施方案中，圓形透水缸體1與缸蓋3採用螺紋連接，缸蓋3採用316不鏽鋼材料，透水石12是一種用砂質顆粒均勻膠結的多孔板，具有完全透水功能，透水石12是嵌入於透水座11中，透水座11與透水缸體外殼10是採用o型圈密封固定；位移活塞5是採用矽鋁合金材料，復位彈簧9是採用70#碳素彈簧鋼絲，復位彈簧7焊接到位移活塞5的觸針端；將等強度彈片20焊接到光柵倉體的的內底端面中心位置，彈片20採用不鏽鋼材料；光柵21通過焊接固定在光柵倉體的底端面，等強度彈片20與光柵21通過螺母緊固；導線14的一端用膠粘在光柵21上，另一端穿過上塞13，在鎧裝光纜15的一端卡上卡環13上，然後在另一端套上鎧裝接頭18，拉緊後用液壓鉗將鎧裝接頭18和鎧裝光纜15壓接在一起，鎧裝光纜15外壁用橡膠套19固定保護；上塞13採用防水橡膠塞，鎧裝接頭18與上塞13用螺紋緊固；在上塞13和光柵倉體2之間的空腔內放入o型圈，壓到底端，並用環氧樹脂將空腔填滿，具體實施步驟按下列步驟進行。
步驟一：光纖光柵水壓力傳感器的組裝；
（1）將復位彈簧9套接在位移活塞5上，壓入透水缸體1；
（2）將透水石12直接壓入透水座11，並將透水座11與缸體外殼10固定；
（3）將等強度彈片20和光柵21固定在光柵倉2的底端；
（4）將鎧裝光纜15一端用卡環17固定，在鎧裝光纜15的另一端套上鎧裝接頭18，將光纖連接到光柵21上，光纖尾端從上塞的小孔穿出來；
（5）用液壓鉗將鎧裝接頭18與鎧裝光纜15壓接在一起，再套上橡膠套19進行保護；
（6）將甩出的光纖穿入鎧裝光纜15，通過螺紋將壓好的鎧裝接頭18固定在上塞13上；
（7）上塞13與光柵倉體1之間形成了一個環形空腔，用環氧樹脂16將其填滿；
（8）將圓形缸體蓋3通過螺紋連接到缸體外殼10前端。
步驟二：用光纖光柵水壓力傳感器測量水壓力；
（1）用光纖光柵水壓力傳感器測量時，將圓形缸體蓋3擰開，水通過透水座11內部的透水石12進入到位移活塞5和透水座11的空腔內；
（2）水壓力會作用於位移活塞5，位移活塞5擠壓彈片光柵8內的等強度彈片20，使其發生撓度變化，帶動連接在等強度彈片20的光柵21發生波長變化；
（3）再通過光纖和鎧裝光纜15將光信號傳輸出來，經過解調儀將信號解調出來，從而得到水壓力的變化規律。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。