光纖光柵土壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于壓力測量及光纖光柵傳感領域，具體的說是一種光纖光柵土壓力傳感器，包括殼體(1)，設置在殼體(1)的腔體內的金屬薄片(2)，以及設置在殼體(1)內側的補償金屬薄片(4)；其中，金屬薄片(2)的表面上設置有光柵傳感器(3)，補償金屬薄片(4)的表面上設置有補償光柵傳感器(5)，光柵傳感器(3)和補償光柵傳感器(5)的光纖引出端均通過殼體(1)的兩側孔引出。結合不銹鋼膜片的特性，該傳感器通過不銹鋼膜片與雙拱形結構將縱向分布的壓力轉化為膜片橫向的應變，從而達到測量縱向分布壓力的目的。它用于土壓力監測的測量精度高，抗電磁干擾、穩定性好，方便現場安裝，溫度可自補償，能夠排除粘貼對傳感性能影響。
【專利說明】
光纖光柵土壓力傳感器
技術領域
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[0001]本實用新型屬于光纖光柵傳感在建筑體、橋梁、滑坡等土壓力應用領域，具體涉及一種光纖光柵土壓力傳感器。
【背景技術】
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[0002]光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器是利用Bragg波長對溫度、應力的敏感特性而制成的一種新型的光纖傳感器，在光纖傳感技術領域中備受青睞。目前市場上有很多電子類的壓力傳感器，在一些特殊環境中，如防火防爆防靜電的工作環境使用會帶來安全隱患，而利用即光纖布拉格光柵制作的壓力傳感器屬于無源器件，因此不會存在上述安全隱患，但是其傳感器的結構復雜，測量靈敏度不高。并且土壓力傳感器一般工作在潮濕和酸堿鹽等腐蝕性環境中，這些電式傳感器耐腐蝕能力差，壽命短，不能長期可靠工作。王俊杰等人設計了差動式光纖光柵土壓力傳感器(參看文獻“差動式光纖光柵土壓計及其溫度特性的研究”，來自《光電子.激光》，2007年4月，第18卷第4期)，他們將平面圓形薄板和懸臂梁組成一復合結構，兩光纖光柵對稱貼于懸臂梁的上下表面實現差動式測量，并實現溫度補償。但是，該傳感器在復雜的土壤環境中由于受力的不均勻性將導致測量結果誤差較大。胡志新等人設計了一種圓殼式硬心膜片式FBG壓力傳感器(參看文獻“溫度補償式光纖光柵土壓力傳感器”，來自《應用光學》，2010年I月，第31卷第I期)，該傳感器的靈敏度為1550pm/MPa，能夠進行溫度自補償，但遲滯和靜態誤差比較大，不適合長期使用。專利號為200720021750.2的中國專利“巖土用光纖光柵壓力傳感器”是將光纖光柵粘貼在呈倒L形的等強度梁上，土壓力通過缸體上蓋作用到等強度梁上，從而使粘貼其上的光纖光柵發生變形，光纖光柵又通過光纖與自由不受力狀態的光纖光柵溫度傳感器串接消除溫度的影響，該傳感器的測量結果也存在受力分布的影響問題。
【實用新型內容】:
[0003]本實用新型目的是針對現有技術存在的上述問題，設計了一種高靈敏度、高精度、抗電磁干擾、穩定性好、溫度自補償的光纖光柵土壓力傳感器，以便能長期監測滑坡體變形、路基沉降、隧道頂部變形、橋梁變形。
[0004]為達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案來實現的:
[0005]光纖光柵土壓力傳感器，包括殼體，設置在殼體的腔體內的金屬薄片，以及設置在殼體內側的補償金屬薄片;其中，
[0006]金屬薄片的表面上設置有光柵傳感器，補償金屬薄片的表面上設置有補償光柵傳感器，光柵傳感器和補償光柵傳感器的光纖引出端均通過殼體的兩側孔引出。
[0007]本實用新型進一步的改進在于，補償金屬薄片設置在殼體底部的內側。
[0008]本實用新型進一步的改進在于，金屬薄片上刻有定位線，光柵傳感器光柵與定位線對準。
[0009]本實用新型進一步的改進在于，金屬薄片與殼體之間采用環氧膠連接在一起。
[0010]本實用新型進一步的改進在于，補償金屬薄片采用環氧膠將其固定在殼體的底部內側上。
[0011]本實用新型進一步的改進在于，殼體的兩側孔包括光纖引出左端和光纖引出右端，其中，光纖引出左端和光纖引出右端均設置有密封體，密封體用于將光纖引出左端和光纖引出右端與兩側孔密封。
[0012]本實用新型進一步的改進在于，殼體結構中a = 30°，li = 20mm;金屬薄片呈為工形結構，bi = 16mm，b2 = 10mm，其中α表示殼體與金屬薄片的夾角，I1表示殼體水平結構的長度，bi為金屬薄片最外部結構的寬度，b2為金屬薄片的中間結構的寬度。
[0013]本實用新型進一步的改進在于，殼體材料選用45號鋼制成，彈性模量E為200GPa。
[0014]本實用新型進一步的改進在于，金屬薄片和補償金屬薄片材料選用平面不銹鋼304金屬膜片制成，其彈性模量E為194GPa，泊松比v為0.3，厚度h為0.25mm，中h表示金屬薄片和補償金屬薄片材料的厚度。
[0015]與現有技術相比，本實用新型的優點在于:1、測量靈敏度高，精度高，避免了因粘貼引起的本體噪聲;2、實現了溫度補償，同時可以測量環境溫度;3、結構簡單、成本低，適合與產業化生產;4、彈性殼體兩側均有光纖引出孔，便于串聯和組成傳感網絡;5、將光纖光柵懸浮，保證了光柵的線性變化。
【附圖說明】
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[0016]圖1是本實用新型實施例結構示意圖。
[0017]圖2是金屬薄片的結構示意圖。
[0018]圖中:1、殼體;2、金屬薄片;3、光柵傳感器;4、補償金屬薄片；5、補償光柵傳感器；
6、光纖引出左端;7、光纖引出右端。
【具體實施方式】
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[0019]下面結合實施例附圖對本實用新型作進一步說明。
[0020]如圖1所示，本實用新型提供的光纖光柵土壓力傳感器，包括殼體1、金屬薄片2、光柵傳感器3、補償金屬薄片4和補償光柵傳感器5，其中，補償光柵傳感器5通過環氧膠將補償金屬薄片4固定在殼體I的腔體下側面上。金屬薄片2上刻有定位線，光柵傳感器3中光柵與定位線對準，給予適當拉力，使用環氧膠將與金屬薄片2粘為一體。殼體I與金屬薄片2用環氧膠連接在一起，固定光柵傳感器3。殼體I兩側有側孔，光柵傳感器2和補償光柵傳感器5的光纖引出端通過殼體I的兩側孔引出，通過殼體I的兩側引出孔有密封體，密封體將光纖引出左端6和光纖引出右端7與兩側孔密封。金屬薄片2和補償金屬薄片4材料相同。殼體I結構中a = 30°，Ii = 20mm;金屬薄片2設計為工形結構，如圖2所示，bi = 16mm，b2 = 10mm。其中α表不殼體(I)與金屬薄片的夾角，Ii表不殼體(I)水平結構的長度。bi為金屬薄片(2)最外部結構的寬度，b2為金屬薄片(2)的中間結構的寬度。殼體I材料選用45號鋼，彈性模量E為200GPa;金屬薄片2和補償金屬薄片4材料選用平面不銹鋼304金屬膜片，其彈性模量E為194GPa，泊松比V為0.3，厚度h為0.25mm。其中h表示金屬薄片2和補償金屬薄片4材料的厚度。
[0021]本實用新型利用雙拱形結構殼體，配合工形金屬薄片將縱向分布的壓力轉化為薄片橫向的應變，通過薄片結構傳遞應變給光纖光柵傳感器，從而達到測量
[0022]縱向分布壓力的目的。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在其纖芯形成的空間相位光柵。當一束光進入光纖光柵時，根據光柵理論，滿足Bragg條件的光波被反射，該光波波長被稱為光纖光柵的中心波長λΒ Ab與光柵周期Λ和纖芯折射率nrff際有關，即
[0023]AB = 2neff A 公式(I)
[0024]式中λΒ為光纖光柵的中心波長，Λ為光柵周期，neff為纖芯折射率。
[0025]FBG光纖光柵傳感的基本原理是，當光柵周圍的溫度、應變、應力或其它待測物理量發生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而使光纖光柵的中心波長產生位移Δ λΒ，通過檢測光柵波長的位移情況，即可獲得待測物理量的變化情況。即
[0026]ΔλΒ = Κε.Δ ε+Κτ.ΔΤ 公式(2)
[0027]式中ΔλΒ為中心波長產生的位移，Δε表示光柵的應變變化值，Κε為應變傳感靈敏度系數，A T為光柵的溫度變化值，Kt為光纖光柵溫度傳感靈敏度系數。
[0028]根據上述特性，首先使用光纖光柵解調儀測量出光纖光柵的波長變化，而后根據標定的應變-波長對應關系即可得到應變值。同時，本實用新型自動實現了溫度補償，將溫度補償光柵和測力光柵置于了相同的狀態，即可作溫度補償，也可以測量溫度。
[0029]與傳統的電阻式應變傳感器相比，本實用新型的優點非常明顯:
[0030]1、抗電磁干擾:一般電磁福射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁干擾的影響。
[0031]2、電絕緣性能好，安全可靠:光纖本身是由電介質構成的，而且無需電源驅動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。
[0032]3、難腐蝕，化學性能穩定:由于制作光纖的材料-石英具有極高的化學穩定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環境中使用。
[0033]4、測量范圍廣:可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。
[0034]5、傳輸容量大:可實現多點分布式測量。
【主權項】
1.光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，包括殼體(I)，設置在殼體(I)的腔體內的金屬薄片(2)，以及設置在殼體(I)內側的補償金屬薄片(4);其中， 金屬薄片(2)的表面上設置有光柵傳感器(3)，補償金屬薄片(4)的表面上設置有補償光柵傳感器(5)，光柵傳感器(3)和補償光柵傳感器(5)的光纖引出端均通過殼體(I)的兩側孔引出。2.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，補償金屬薄片(4)設置在殼體(I)底部的內側。3.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，金屬薄片(2)上刻有定位線，光柵傳感器(3)光柵與定位線對準。4.根據權利要求3所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，金屬薄片(2)與殼體(I)之間采用環氧膠連接在一起。5.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，補償金屬薄片(4)采用環氧膠將其固定在殼體(I)的底部內側上。6.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，殼體(I)的兩側孔包括光纖引出左端(6)和光纖引出右端(7)，其中，光纖引出左端(6)和光纖引出右端(7)均設置有密封體，密封體用于將光纖引出左端(6)和光纖引出右端(7)與兩側孔密封。7.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，殼體(I)結構中α= 30°，Ii = 20mm;金屬薄片(2)呈為工形結構，bi = 16mm，b2= 10mm，其中α表示殼體(I)與金屬薄片(2)的夾角，Ii表不殼體(I)水平結構的長度，bi為金屬薄片(2)最外部結構的寬度，b2為金屬薄片(2)的中間結構的寬度。8.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，殼體(I)材料選用45號鋼制成，彈性模量E為200GPa。9.根據權利要求1所述的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，金屬薄片(2)和補償金屬薄片(4)材料選用平面不銹鋼304金屬膜片制成，其彈性模量E為194GPa，泊松比V為0.3，厚度h為0.25mm，中h表示金屬薄片(2)和補償金屬薄片(4)材料的厚度。
【文檔編號】G01L1/24GK205449355SQ201620245343
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發明人】張鵬, 賴金星, 劉厚全, 程飛, 周慧, 馮志華
【申請人】長安大學