本發明基于光纖光柵技術,是一種用于監測建筑物傾斜量的傳感器,屬于光纖傳感技術領域。
背景技術:
大型土木工程諸如水利工程、橋梁工程、房屋工程、近海采油平臺和大型水塔等由于地基基礎不均勻沉降易發生傾斜現象,不但影響工程建筑的正常使用功能,而且引起附加應力甚至導致結構破壞。因此,貫穿施工與運營期的結構傾斜狀態監測很有必要。傳統的傾角傳感器以電磁效應、電容效應等為基本原理,可達到較高的精度與分辨率,但這種弱電式傳感器存在抗電磁干擾性能差、測量距離近的缺陷,在電磁干擾嚴重的環境以及需要遠距離監測的情況下難以適用。光纖光柵具有測量靈敏度高、抗電磁干擾、信號傳輸距離遠、耐腐蝕的優點,適用于建筑物的長期遠距離結構健康監測。因此,研發一種用于長期實時監測建筑物傾斜量的光纖光柵傾角傳感器有意義。
技術實現要素:
本發明涉及一種結構簡單,性能穩定、可靠、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕,用于長期實時監測建筑物傾斜量的傳感器。
為了實現上述目的,本發明解決技術問題的技術方案是:
一種重力式光纖光柵傾角傳感器,主要包括保護殼體和感應結構;
保護殼體為矩形盒式,一側開小孔用于尾纖穿出;固定片用于保護殼體與被測物體的連接;
感應結構包括配重塊、應變感應基片、監測光纖光柵、補償光纖光柵、固定軸、L型連接件、I型連接件和不銹鋼短柱其整體成鐘擺結構;
固定軸固定于保護殼體的右上角,固定軸中部連接兩個I型連接件;配重塊為等腰直角三角形,其斜邊中心處連接兩個L型連接件,兩個直角邊上平行于斜邊且過三角形形心的位置上固定兩個小型等腰直角三角形;
應變感應基片為矩形薄片,兩端分別采用螺栓與L型連接件和I型連接件連接;將配重塊順時針旋轉45°,將四個不銹鋼短柱固接到保護殼體內;不銹鋼短柱的固定位置是在配重塊的兩個小型等腰直角三角形上下兩邊和配重塊斜邊上,用來阻止配重塊旋轉,防止應變感應基片受壓力作用;監測光纖光柵粘貼于應變感應基片中部;補償光纖光柵粘貼于保護殼體臨近監測光纖光柵的內壁上;監測光纖光柵與補償光纖光柵的尾纖均穿過保護殼體側面小孔并套上光纖松套管。
所述監測光纖光柵為Bragg光柵。
本發明具有下列優點:
1.可對構件傾斜角度進行全壽命周期監測。
本發明通過光纖光柵獲取應變感應基片的軸向應變,監測靈敏度高,抗電磁干擾,耐腐蝕,理論上可實現構件傾斜角度全壽命周期監測。
2.量程大、測量精度可以調節。
由結構設計可知,本傾角傳感器量程達到-45°到45°,滿足土木工程大型結構傾角量程方面的要求。此外,本發明的原理是配重塊受力平衡時在基片上產生軸向分力,引起基片發生軸向應變。因此配重塊的質量大小,基片的選材和截面尺寸,直接影響著單位角度改變量引起基片軸向應變的大小,通過改變以上因素可改變傳感器的監測精度,使其滿足不同的精度要求。
3.監測響應速度快。
本發明是基于配重塊受力平衡時在基片上產生軸向分力,通過監測光纖光柵測得基片軸向應變從而獲取光纖光柵中心波長改變量并反推測點傾角,其原理簡單,傳力途徑清晰簡明,無過多的機械傳導裝置,因此傳感器響應速度快。
4.布置方式多樣。
本發明是密封盒式設計,既可直接布置于所需監測部位,亦可以預埋于預制構件中,可提高傳感器在施工監測中的存活率。
5.適用范圍廣。
本發明體積小且密封,適應環境能力強,不僅應用于建筑以及水壩方面的結構傾斜量的監測,還可以應用該發明對橋梁結構撓度進行實時監測。
本發明傾角傳感器結構簡單,響應速度快,測量精度高且可調,穩定性好,具有溫度自補償功能,且易于加工制造,抗電磁干擾,具有較好的工程應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的內部結構主視圖。
圖2是本發明的內部結構三維示意圖。
圖3是本發明的外部結構示意圖。
圖4是本發明的夾角θ示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細說明。不違背本發明技術方案的前提下,對本發明所作的本領域普通技術人員容易實現的任何改動或改變都將落入本發明的權利要求范圍之內。
圖1-4所示,一種重力式光纖光柵傾角傳感器,主要包括保護殼體和感應結構;
保護殼體10為矩形盒式,一側開小孔用于尾纖12穿出;固定片11用于保護殼體10與被測物體的連接;
感應結構包括配重塊1、應變感應基片2、監測光纖光柵3、補償光纖光柵4、固定軸5、L型連接件6、I型連接件7和不銹鋼短柱8其整體成鐘擺結構;
固定軸5固定于保護殼體10的右上角,固定軸5中部連接兩個I型連接件7;配重塊1為等腰直角三角形,其斜邊中心處連接兩個L型連接件6,兩個直角邊上平行于斜邊且過三角形形心的位置上固定兩個小型等腰直角三角形;
應變感應基片2為矩形薄片,兩端分別采用螺栓9與L型連接件6和I型連接件7連接;將配重塊順時針旋轉45°,將四個不銹鋼短柱8固接到保護殼體10內;不銹鋼短柱8的固定位置是在配重塊1的兩個小型等腰直角三角形上下兩邊和配重塊1斜邊上,用來阻止配重塊1旋轉,防止應變感應基片2受壓力作用;監測光纖光柵3粘貼于應變感應基片2中部;補償光纖光柵4粘貼于保護殼體10臨近監測光纖光柵3的內壁上;監測光纖光柵3與補償光纖光柵4的尾纖12均穿過保護殼體10側面小孔并套上光纖松套管。
所述監測光纖光柵3為Bragg光柵。
本發明的工作原理如下:
由光纖光柵原理可知,本傳感器所測量應變與基片軸向應變滿足關系:
A=b·h (2)
式中,ΔλB為中心波長改變量,kε為光纖光柵應變靈敏度系數,A為基片凈截面面積,b為基片的截面寬度,h為基片的厚度。N為基片上軸向力,其滿足基本方程:
N=mg cosθ (3)
m=ρ·V (4)
其中m為配重塊質量,ρ為配重塊材料密度,V為配重塊體積,θ為基片軸線與鉛垂方向之間的夾角,如圖4所示。將(2)(3)(4)帶入(1)可得:
進而有
令則有:
θ=arccos KΔλB (7)
式中,K為材料系數。
雖然設計時基片與鉛垂方向成45°角,但由于安置傳感器時具有角度偏差,即基片與鉛垂方向成角不為45°,因此,安置時需要對基片與鉛垂方向初始角度進行監測即θ初,從而在以后的監測中可得測點的實際傾斜角度α。
α=θ測-θ初 (8)
即有α=arccosKΔλB測-arccosKΔλB初 (9)
由此式可看出通過監測實時中心波長改變量ΔλB測與安置時中心波長改變量ΔλB初,從而獲得測點當前傾角α的結果,且α為正說明逆時針傾斜,α為負說明順時針傾斜。
本發明的一種基于光纖光柵技術的傾角傳感器具體封裝方式為:
把應變感應基片一側的中間部位用酒精清洗并擦拭干凈,平放在封裝臺上,然后將光纖光柵兩端固定,并施加一定的預應力,平行放置于基片對稱軸中間位置的表面。用光纖光柵精密調整架調整光纖光柵的位置,使光纖光柵的柵區緊貼在基片對稱軸中間位置,滴取少量氰基丙烯酸乙酯于柵區處,當柵區固定后再在柵區表面涂抹少量環氧樹脂,待環氧樹脂固化后即完成了監測光纖光柵的封裝。采用同樣的方式,在保護殼體內壁表面臨近監測光纖光柵的位置上粘貼補償光纖光柵。尾纖表面涂抹少量704膠后,用光纖松套管進行保護。
保護殼體由鋁板拼成,并采用螺栓固定,其中一側鋁板上預留一個小孔,用來穿出尾纖。固定片采用螺栓固定在保護殼體上。采用螺栓將鋼柱固定于保護殼體的右上角,并套上比鋼柱直徑大一點的鋼管形成固定軸。鋼管的中部焊接兩個I型連接件,其間距為基片厚度。在配重塊直角邊上用502粘接兩個小型等腰直角三角形,使兩小型等腰直角三角形的形心連線平行于配重塊斜邊且過配重塊形心,并在配重塊斜邊上用螺栓連接兩個L型連接件,兩連接件間距為基片厚度。基片兩端用螺栓分別與L型連接件和I型連接件相連。此外,在保護殼體內部,采用502膠將不銹鋼短柱粘接在殼體內壁的指定位置上。