光纤光栅沉降传感器.pdf

《光纤光栅沉降传感器.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤光栅沉降传感器.pdf（10页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 102252624 A (43)申请公布日 2011.11.23 CN 102252624 A *CN102252624A* (21)申请号 201110186686.4 (22)申请日 2011.07.05 G01B 11/06(2006.01) (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西 源大道 2006 号 (72)发明人 龚元 吴宇 饶云江 杜磊 (74)专利代理机构 成都华典专利事务所 ( 普通 合伙 ) 51223 代理人 杨保刚 徐丰 (54) 发明名称 光纤光栅沉降传感器 (57) 摘要 本发明公开了一种光纤光栅。

2、沉降传感器， 包 括传感器底座、 传感段和传感器上盖， 传感器底座 与传感段通过螺丝紧固， 传感器底座和传感段通 过压力膜片形成一压力室， 压力室下部设有进液 孔， 压力膜片的硬心与连杆固定连接， 连杆尖部通 过小孔与等强度悬臂梁活动连接， 等强度悬臂梁 被压块固定在开有方孔的基底上， 等强度悬臂梁 上设置有压力传感光栅， 另一个相同的等强度悬 臂梁上设置有温度传感光栅， 与压力传感光栅和 温度传感光栅相连的光纤通过传感器壁上的小孔 穿出。本发明具有测量范围大、 灵敏度高、 结构简 单、 成本低等优点， 将本发明安装在铁路、 公路等 沉降易发区域， 可精确测量地基沉降。 (51)Int.Cl.。

3、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 CN 102252630 A1/1 页 2 1. 一种光纤光栅沉降传感器， 包括传感器底座 （1） 、 传感段 （2） 和传感器上盖 （3， 传感 器底座 （1） 与传感段 （2） 通过螺丝紧固， 其特征在于 ： 传感段 （2） 的下部安装有压力膜片 （4） ， 压力膜片 （4） 和传感器底座 （1） 之间形成压 力室 （7） ， 所述压力室 （7） 的下部设有进液孔 （8） ， 所述进液孔 （8） 与外部连通管道连接 ； 所述压力膜片 （4） 的硬心 （12） 与连杆 （12） 固。

4、定连接， 所述连杆 （12） 的尖部与通过 小孔 （13） 与第一等强度悬臂梁 （14） 活动连接， 第一等强度悬臂梁 （14） 被第一压块 （15） 固 定在传感段 （2） 内部开有方孔 （20） 的基底上， 第一等强度悬臂梁 （14） 上设置有压力传感光 栅 （16） ； 在方孔 （20） 的另一边通过第二压块 （19） 固定设置有第二等强度悬臂梁 （17） ， 所述 第二等强度悬臂梁 （17） 上设置有温度传感光栅 （18） ， 并与第一等强度悬臂梁 （14） 和第一 压块 （15） 有一平移量， 使第一等强度悬臂梁 （14） 和第二等强度悬臂梁 （17） 的尖端错开 ； 所述压力传感光。

5、栅 （16） 和温度传感光栅 （18） 串联， 与压力传感光栅 （16） 和温度传 感光栅 （18） 相连的光纤 （21） 通过器壁上的小孔 （22） 穿出。 2. 根据权利要求 1 所述的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 所述压力室 （7） 的下端还 设置有排气孔 （9） ， 在传感器初次安装时， 应通过排气孔 （9） 将压力室 （7） 内的残余空气排 除， 然后采用排气孔盖 （10） 将压力室 （7） 密封。 3. 根据权利要求 1 所述的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 第一等强度悬臂梁 （14） 采用弹性合金材料制作， 圆弧边与器壁内切， 小孔 （13） 位于内切圆的中心， 第一等。

6、强度悬臂 梁 （14） 的厚度在 0.1mm 到 1mm 之间， 顶角在 10到 45之间。 4. 根据权利要求 1 所述的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 第二等强度悬臂梁 （17） 为等腰三角形， 厚度与第一等强度悬臂梁 （14） 相同， 其底边不与器壁接触， 有效长度与第一 等强度悬臂梁 （14） 一致。 5. 根据权利要求 1 所述的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 所述压力膜片 （4） 为平膜 片或者波纹膜片， 厚度在 0.04mm 到 0.5mm 之间。 权 利 要 求 书 CN 102252624 A CN 102252630 A1/4 页 3 光纤光栅沉降传感器 技术领域 。

7、0001 本发明属于传感器技术领域， 具体涉及一种基于光纤光栅的沉降传感器。 背景技术 0002 由于高层建筑物施工、 地下采矿或过度开采地下水、 软土路基下沉等因素， 会造成 地基沉降。 沉降观测对高层建筑物的安全、 高铁行车安全等诸多方面都有十分重要的意义。 传统的沉降观测手段效率较低， 而且受人为因素或环境因素影响较大， 自动化程度和测量 精度都不能满足实际需求。 0003 光纤光栅传感器是目前应用最为广泛的光纤传感器之一， 可测量应变、 温度、 压 力、 位移、 流量、 液位等参数。其传感原理一般基于被测参数变化引起光栅周期和有效折射 率的变化， 从而导致光栅特征波长的变化， 通过测量。

8、特征波长的移动量来测量上述参数。 目 前， 国内外采用光纤光栅的压力或液位传感器非常多， 但专门针对沉降监测的光纤光栅传 感器的报道较少。 0004 申请号 201020187532.8、 授权公告号 CN201724687U 的实用新型专利 “一种测量地 面沉降的装置” 公开了一种基于光纤光栅测量沉降的装置， 但该装置体积较大， 推广应用存 在一定困难。申请号 201010235079.8、 授权公告号 CN101900533A 的发明专利 “用于路堤断 面沉降监测的光纤光栅测量方法” 公开了一种基于基于光纤光栅测量断面沉降的方法， 但 该方法施工量大， 测量精度不高。 还有一种浮球式光纤沉。

9、降传感器， 通过浮球带动机械结构 使光纤光栅产生应变， 通过测量光栅特征波长的移动量来确定液位差， 从而达到沉降监测 的目的， 但该传感器的量程、 灵敏度、 稳定性等性能受限于浮球的材料和特性， 而且该传感 器的体积随着量程的增加而增大， 在推广应用方面也存在一定难度。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感器的缺点， 提供测量范围 大、 测量精度高、 结构简单、 施工方便的光纤光栅沉降传感器。 0006 本发明所提出的技术问题是这样解决的 ： 提供一种光纤光栅沉降传感器， 包括传 感器底座 1、 传感段 2 和传感器上盖 3， 传感器底座 1 与传感段 2 通过。

10、螺丝紧固， 其特征在 于 ： 传感段 2 的下部安装有压力膜片 4， 压力膜片 4 和传感器底座 1 之间形成压力室 7， 所述压力室 7 的下部设有进液孔 8， 所述进液孔 8 与外部连通管道连接 ； 所述压力膜片 4 的硬心 12 与连杆 12 固定连接， 所述连杆 12 的尖部与通过小孔 13 与第一等强度悬臂梁 14 活动连接， 第一等强度悬臂梁 14 被第一压块 15 固定在传感段 2 内 部开有方孔 20 的基底上， 第一等强度悬臂梁 14 上设置有压力传感光栅 16 ； 说 明 书 CN 102252624 A CN 102252630 A2/4 页 4 在方孔20的另一边通过第。

11、二压块19固定设置有第二等强度悬臂梁17， 所述第二等 强度悬臂梁17上设置有温度传感光栅18， 并与第一等强度悬臂梁14和第一压块15有一平 移量， 使第一等强度悬臂梁 14 和第二等强度悬臂梁 17 的尖端错开 ； 所述压力传感光栅16和温度传感光栅18串联， 与压力传感光栅16和温度传感光栅 18 相连的光纤 21 通过器壁上的小孔 22 穿出。 0007 按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 所述压力室 7 的下端还 设置有排气孔9， 在传感器初次安装时， 应通过排气孔9将压力室7内的残余空气排除， 然后 采用排气孔盖 10 将压力室 7 密封。 0008 按照本发明所。

12、提供的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 第一等强度悬臂梁 14 采 用弹性合金材料制作， 圆弧边与器壁内切， 小孔 13 位于内切圆的中心， 第一等强度悬臂梁 14 的厚度在 0.1mm 到 1mm 之间， 顶角在 10到 45之间。 0009 按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 第二等强度悬臂梁 17 为 等腰三角形， 厚度与第一等强度悬臂梁 14 相同， 其底边不与器壁接触， 有效长度与第一等 强度悬臂梁 14 一致。 0010 按照本发明所提供的光线光栅沉降传感器， 其特征在于， 所述压力膜片 4 为平膜 片或者波纹膜片， 厚度在 0.04mm 到 0.5mm 之间。。

13、 0011 本发明利用压力膜片将液位差转换为膜片中心的挠度， 并通过连杆传递到等强度 悬臂梁的顶端， 引起悬臂梁上光纤布拉格光栅的应变和波长变化， 从而由波长变化可精确 测量沉降引起的液位差变化。本发明通过改变压力膜片的厚度、 等强度悬臂梁的厚度和长 度可以方便的调节沉降测量范围和测量精度， 适用于不同场合， 而且具有体积小、 安装简 便、 成本低等优点， 便于进行大规模应用。 附图说明 0012 图 1 为本发明实施例 1 的光纤光栅沉降传感器的结构示意图 ； 图 2 为本发明实施例 1 的压力传感光栅和温度传感光栅装配示意图 ； 图 3 为本发明实施例 2 的沉降传感器的灵敏度试验结果 ；。

14、 图 4 为本发明实施例 2 的沉降传感器的稳定性试验结果 ； 图 5 为本发明实施例 3 的沉降传感器的灵敏度试验结果 ； 图 6 为本发明实施例 4 的沉降传感器的灵敏度试验结果 ； 图 7 为本发明实施例 5 的沉降传感器的灵敏度试验结果。 0013 其中， 1、 传感器底座， 2、 传感段， 3、 传感器上盖， 4、 压力膜片， 5、 垫片， 6、 螺丝， 7、 压 力室， 8、 进液孔， 9、 排气孔， 10、 排气孔盖， 11、 硬心， 12、 连杆， 13、 小孔， 14、 第一等强度悬臂 梁 ； 15、 第一压块， 16、 压力传感光栅， 17、 第二等强度悬臂梁， 18、 温。

15、度传感光栅， 19、 第二压 块， 20、 方孔， 21、 光纤， 22、 小孔。 具体实施方式 0014 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述， 但本发明不限于这些实施例 ： 说 明 书 CN 102252624 A CN 102252630 A3/4 页 5 实施例 1 实施例 1 由传感器底座 1、 传感段 2、 传感器上盖 3 组成， 传感段 2 的下部安装压力膜片 4， 用垫片 5 压住后再用传感器底座 1 压紧， 传感器底座 1 与传感段 2 之间用 M6 螺丝 6 紧 固。传感器底座 1 和压力膜片 4 之间形成压力室 7， 压力室 7 的下部设有进液孔 8 和排气 孔 9，。

16、 进液孔 8 和排气孔 9 采用螺纹连接或者直接焊接固定在传感器底座 1 上。在传感器初 次安装时， 应通过排气孔 9 将压力室 7 内的残余空气排除， 然后采用排气孔盖 10 将压力室 7 密封。在沉降传感器安装时， 进液孔 8 与外部连通管连接， 连通管上接多个沉降传感器来 实现沿线的沉降监测。连通管内液面与压力膜片之间的液位差会造成压力膜片 4 中心的挠 度。膜片中心有硬心 11 与连杆 12 固定连接， 连杆 12 尖部通过小孔 13 与等强度悬臂梁 14 活动连接， 等强度悬臂梁 14 被压块 15 固定在传感段 2 内部开有方孔的基底上， 等强度悬臂 梁上设置有压力传感光栅 16。。

17、等强度悬臂梁 14 近似为扇形， 采用弹性合金材料制作， 圆弧 边与器壁内切， 等强度悬臂梁 14 上的小孔 13 位于内切圆的中心， 等强度悬臂梁 14 的厚度 在 0.1mm 到 1mm 之间， 顶角在 10到 45之间。等强度悬臂梁 17 为等腰三角形， 厚度与等 强度悬臂梁14相同， 其底边不与器壁接触， 固定时保证梁的有效长度与等强度悬臂梁14一 致。等强度悬臂梁 17 上设置有温度传感光栅 18， 等强度悬臂梁 17 被压块 19 固定在方孔 20 的另一边， 并与等强度悬臂梁 14 和压块 15 有一平移量， 使等强度悬臂梁 14 和等强度悬 臂梁 17 的尖端错开， 如图 2 。

18、所示。传感光栅 16 和温度传感光栅 18 串联， 与压力传感光栅 16 和温度传感光栅 18 相连的光纤 21 通过器壁上的小孔 22 穿出。图 1 中压力膜片采用平 膜片， 也可以采用波纹膜片， 厚度在 0.04mm 到 0.5mm 之间。 0015 传感器监测沉降过程中， 连通管内液面保持不变， 当传感器所在地表发生沉降时， 连通管液面与压力膜片4之间的液位差发生变化， 导致压力膜片4中心挠度变化， 挠度通过 连杆 12 传递到等强度悬臂梁 14 使其发生形变， 引起压力传感光栅 16 的应变。通过测量压 力传感光栅 16 的特征波长移动量来确定液位差的大小， 从而得到地基的沉降量。温度。

19、传感 光栅 18 用于补偿温度波动对沉降测量的影响， 从而提高沉降的测量精度。本发明通过改变 压力膜片4的厚度、 等强度悬臂梁14的厚度和长度可以方便的调节沉降测量范围和测量精 度， 便于在不同场合进行应用。 0016 实施例 2 在本实施例中， 压力膜片为厚度 50 微米的波纹膜片， 等强度悬臂梁 14 厚度为 0.3mm， 长度为 20mm。其他零部件及其连接方式与实施例 1 相同。图 4 为本发明实施例 2 的沉降 传感灵敏度试验结果。灵敏度为 0.94pm/mmH2O， mmH2O 表示毫米水柱产生的压力， 线性度为 0.9997。图 3 为本发明实施例 2 的沉降传感器消除温度影响后。

20、的稳定性试验结果。可以看 出， 该传感器稳定性良好。 0017 实施例 3 在本实施例中， 压力膜片为厚度50微米的波纹膜片， 等强度悬臂梁14厚度为0.3mm， 长 度为 15mm。其他零部件及其连接方式与实施例 1 相同。图 5 为本发明实施例 3 的沉降传感 灵敏度试验结果。灵敏度为 1.48pm/mmH2O， 线性度为 0.9996。 0018 实施例 4 在本实施例中， 压力膜片为厚度 50 微米的波纹膜片， 等强度悬臂梁厚度为 0.15mm， 长 度为 20mm。其他零部件及其连接方式与实施例 1 相同。图 6 为本发明实施例 4 的沉降传感 说 明 书 CN 102252624 。

21、A CN 102252630 A4/4 页 6 灵敏度试验结果。灵敏度为 1.1pm/mmH2O， 线性度为 0.9993。 0019 实施例 5 在本实施例中， 压力膜片为厚度 50 微米的波纹膜片， 等强度悬臂梁厚度为 0.15mm， 长 度为 15mm。其他零部件及其连接方式与实施例 1 相同。图 7 为本发明实施例 5 的沉降传感 灵敏度试验结果。灵敏度为 2.11pm/mmH2O， 线性度为 0.9993。 说 明 书 CN 102252624 A CN 102252630 A1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102252624 A CN 102252630 A2/4 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102252624 A CN 102252630 A3/4 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102252624 A CN 102252630 A4/4 页 10 图 7 说 明 书 附 图 CN 102252624 A 。