本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，包括：盒體，為餅狀筒形結(jié)構(gòu)，其頂部內(nèi)表面具有直接感受外界土壓力信號的一個承壓膜片；安裝于盒體內(nèi)部的兩個支撐軸；安裝于兩個支撐軸上的兩個L型梁，每個L型梁均具有豎直方向部分和水平方向部分；安裝于承壓膜片與兩個水平方向部分的端部之間的中心傳力桿；安裝于雙L型梁的豎直方向部分的端部檢測土壓力信號的光纖光柵，承壓膜片的縱向位移通過中心傳力桿和兩個L型梁被傳遞給光纖光柵，使光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變；設(shè)置于盒體兩端部側(cè)壁的兩個引出小孔；安裝于盒體底部密封和保護(hù)盒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底板。本發(fā)明專利技術(shù)解決了土壓力傳感器的體積、靈敏度、封裝工藝等問題。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及土木工程監(jiān)測
，尤其涉及一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，適用于埋入式或結(jié)構(gòu)表面土壓力測量，如巖土工程、邊坡、大壩、路基等工程結(jié)構(gòu)土壓力監(jiān)測。
技術(shù)介紹
土壓力作為反映土木工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性狀態(tài)的主要參數(shù)，對其進(jìn)行實時監(jiān)測，不僅可以避免重大工程事故發(fā)生，而且可以為巖土工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計、防護(hù)以及理論研究提供可靠數(shù)據(jù)。因此，研制適合于巖土介質(zhì)環(huán)境的壓力傳感器具有重要意義。土壓力傳感器特殊的應(yīng)用環(huán)境，通常需要將其埋入到巖土介質(zhì)中進(jìn)行監(jiān)測。這對于土壓力傳感器的設(shè)計提出了嚴(yán)格要求。目前，應(yīng)用于土壓力觀測的傳感器主要有振弦式、 電阻應(yīng)變式、差動電阻式、電感式和光纖式等。振弦式土壓力傳感器、電阻應(yīng)變式土壓力傳感器、差動電阻式土壓力傳感器以及電感式土壓力傳感器等電學(xué)類傳感器在實際檢測過程存在長期穩(wěn)定性差、精度低、易受電磁侵?jǐn)_、實時性以及組網(wǎng)能力差等弊端。光纖土壓力傳感器與傳統(tǒng)的電學(xué)類土壓力傳感器相比，優(yōu)勢明顯靈敏度高、不受電磁干擾、復(fù)用簡單、可構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)多點同步監(jiān)測，更適合長期實時監(jiān)測。鑒于光纖土壓力傳感器的如上技術(shù)優(yōu)勢，可滿足土木工程領(lǐng)域?qū)r土壓力的監(jiān)測要求。目前已經(jīng)在此方面積極展開研究。Chiachen Changa,王俊杰,Zhi Zhou等人分別報道了不同結(jié)構(gòu)的光纖光柵土壓力傳感器。但是，這些光纖光柵土壓力傳感器都是將光纖光柵粘結(jié)在介質(zhì)材料表面，當(dāng)外界土壓力作用到介質(zhì)材料上時，介質(zhì)材料發(fā)生彎曲變形，從而在其表面產(chǎn)生應(yīng)變，帶動粘結(jié)在其上的光纖光柵的輸出波長發(fā)生變化，從而解調(diào)出土壓力信號。這些技術(shù)方案由于光纖光柵的柵區(qū)被直接粘結(jié)封裝，一方面容易使光纖光柵產(chǎn)生啁啾，另一方面由此帶來的傳感器的熱穩(wěn)定性較差，不適合在寬溫度變化范圍內(nèi)工作。李麗君等人報道了一種光纖光柵土壓力傳感器(ZL201010570760.8)，采用菱形傳力結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，該方案在一定程度上提高了土壓力傳感器的靈敏度，但同時增加了傳感器的厚度，造成土壓力傳感器尺寸較大；另外，該方案將光柵直接粘結(jié)在固定于菱形結(jié)構(gòu)左、右角之間對角線的金屬彈性膜片上，因此沒有避免柵區(qū)與介質(zhì)材料直接接觸。胡志新等人(胡志新等，溫度補(bǔ)償式光纖光柵土壓力傳感器，應(yīng)用光學(xué)，2010，31，(I):110-113)提出了一種溫度補(bǔ)償式光纖光柵土壓力傳感器，選用有硬中心的平膜片作為彈性元件，通過平膜片上的兩個固定柱將土壓力轉(zhuǎn)化為光纖光柵的波長飄移，該方案解決了柵區(qū)直接封裝帶來的弊端；但是由于承壓圓盤與圓腔殼體采取螺紋連接的方式，并非剛性連接，長期處于高土壓力狀態(tài)下，會造成連接松動，影響傳感器精度。因此，如何減小土壓力傳感器的體積及厚徑比，增大土壓力傳感器的靈敏度，改進(jìn)封裝工藝，使光纖光柵土壓力傳感器更好的滿足巖土介質(zhì)監(jiān)測要求成為目前亟需解決的問題。例如，土壓力傳感器埋入容易引起應(yīng)力集中，從而改變土壓力傳感器周圍巖土應(yīng)力場分布；因此，一般要求土壓力傳感器的厚徑比小于O. 2，從而降低埋入效應(yīng)引起的周圍應(yīng)力場變化，使檢測值更精確地反映巖土壓力。因此，本專利技術(shù)提出一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，用于土木工程領(lǐng)域邊坡、大壩等的土壓力監(jiān)測，重點解決土壓力傳感器體積、靈敏度以及封裝工藝等問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本專利技術(shù)的主要目的在于提供一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，以解決土壓力傳感器的體積、靈敏度、封裝工藝等問題。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供了一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，包·括盒體1，為餅狀筒形結(jié)構(gòu)，其頂部內(nèi)表面具有直接感受外界土壓力信號的一個承壓膜片2 ；安裝于盒體I內(nèi)部的兩個支撐軸4 ；安裝于兩個支撐軸4上的兩個L型梁5，每個L型梁均具有豎直方向部分6和水平方向部分7，兩個L型梁5的水平方向部分7相對且不接觸，使L型梁5能夠繞支撐軸4轉(zhuǎn)動一定角度；安裝于承壓膜片2與兩個水平方向部分7的端部之間的中心傳力桿3，中心傳力桿3將承壓膜片2的縱向位移傳遞給兩個L型梁5的水平方向部分7的端部；安裝于雙L型梁5的豎直方向部分6的端部檢測土壓力信號的光纖光柵8，承壓膜片2的縱向位移通過中心傳力桿3和兩個L型梁5被傳遞給光纖光柵8，使光纖光柵8產(chǎn)生軸向應(yīng)變；設(shè)置于盒體I兩端部側(cè)壁的兩個弓I出小孔9，光纖光柵8的尾纖通過該兩個弓I出小孔9被引出；安裝于盒體I底部密封和保護(hù)盒體I內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底板10。上述方案中，所述承壓膜片2、中心傳力桿3和兩個L型梁5構(gòu)成一個縱向-橫向位移轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外界土壓力時，該兩個L型梁5通過旋轉(zhuǎn)將承壓膜片2撓度傳遞給光纖光柵8,引起該光纖光柵8發(fā)生軸向應(yīng)變。上述方案中，所述支撐軸4為階梯狀，以限制L型梁5沿支撐軸4的平動，使L型梁5只有一個繞支撐軸4的旋轉(zhuǎn)自由度，進(jìn)而提高該光纖光柵土壓力傳感器的穩(wěn)定性能。上述方案中，所述光纖光柵土壓力傳感器是通過改變承壓膜片2的半徑或厚度，或者是通過改變L型梁5豎直方向部分6與水平方向部分7長度的比例關(guān)系，來調(diào)整光纖光柵土壓力傳感器的靈敏度和量程。上述方案中，所述光纖光柵土壓力傳感器的盒體I、承壓膜片2以及中心傳力桿3為一體化設(shè)計，以保證外界土壓力所引起的承壓膜片2撓度的剛性傳遞。上述方案中，所述兩個L型梁5的豎直方向部分6的端部之間還包括一彈性材料，該彈性材料固定兩個L型梁5的初始位置，確保兩個L型梁5的水平方向部分7與中心傳力桿3在初始條件下緊密接觸。上述方案中，所述中心傳力桿3與兩個L型梁5的水平方向部分7的端部之間還包括一個分載梁20，且中心傳力桿3作用于該分載梁20的中心。上述方案中，所述分載梁20的中心接觸于中心傳力桿3，分載梁20的兩端部分別接觸于一個L型梁5的水平方向部分7的端部，承壓膜片2的縱向位移依次通過中心傳力桿3和分載梁20被傳遞至兩個L型梁5的水平方向部分7的端部。上述方案中，所述兩個L型梁5的豎直方向部分6的端部之間還包括一彈性材料，該彈性材料固定兩個L型梁5的初始位置，確保兩個L型梁5的水平方向部分7與分載梁20的兩端部在初始條件下緊密接觸。上述方案中，所述彈性材料是可拆卸的，其彈性模量小于光纖的彈性模量。(三)有益效果從以上技術(shù)方案可以看出，本專利技術(shù)具有以下有益效果 I、本專利技術(shù)提供的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，可以通過L型梁的設(shè)計將縱向位移轉(zhuǎn)化為橫向位移，減小了土壓力傳感器的厚徑比和體積，以滿足巖土介質(zhì)壓力監(jiān)測要求。2、本專利技術(shù)提供的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，通過雙L型梁的對稱布設(shè)，增大了土壓力傳感器的靈敏度；并且可以通過調(diào)節(jié)承壓膜片尺寸以及改變L型梁水平方向部分與豎直方向部分的比例關(guān)系來調(diào)整土壓力傳感器的量程和靈敏度，以適應(yīng)不同場合的監(jiān)測要求。3、本專利技術(shù)提供的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，通過雙L型梁的端部固定光纖光柵，避免了柵區(qū)直接與介質(zhì)材料接觸所帶來的啁啾、熱穩(wěn)定性差等現(xiàn)象，改進(jìn)了封裝工藝。附圖說明圖I是依據(jù)本專利技術(shù)實施例提供的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器沿與光纖平行方向的剖視圖。圖2是依據(jù)本專利技術(shù)實施例提供的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器沿與支撐軸平行方向的剖視圖，其中光纖所在方向與支撐軸所在方向垂直。圖3是圖I或圖2所示的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器的俯視圖。圖4是圖I所示的基于雙L本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，包括：盒體(1)，為餅狀筒形結(jié)構(gòu)，其頂部內(nèi)表面具有直接感受外界土壓力信號的一個承壓膜片(2)；安裝于盒體(1)內(nèi)部的兩個支撐軸(4)；安裝于兩個支撐軸(4)上的兩個L型梁(5)，每個L型梁均具有豎直方向部分(6)和水平方向部分(7)，兩個L型梁(5)的水平方向部分(7)相對且不接觸，使L型梁(5)能夠繞支撐軸(4)轉(zhuǎn)動一定角度；安裝于承壓膜片(2)與兩個水平方向部分(7)的端部之間的中心傳力桿(3)，中心傳力桿(3)將承壓膜片(2)的縱向位移傳遞給兩個L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部；安裝于雙L型梁(5)的豎直方向部分(6)的端部檢測土壓力信號的光纖光柵(8)，承壓膜片(2)的縱向位移通過中心傳力桿(3)和兩個L型梁(5)被傳遞給光纖光柵(8)，使光纖光柵(8)產(chǎn)生軸向應(yīng)變；設(shè)置于盒體(1)兩端部側(cè)壁的兩個引出小孔(9)，光纖光柵(8)的尾纖通過該兩個引出小孔(9)被引出；安裝于盒體(1)底部密封和保護(hù)盒體(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底板(10)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，包括 盒體(I)，為餅狀筒形結(jié)構(gòu)，其頂部內(nèi)表面具有直接感受外界土壓力信號的一個承壓膜片⑵； 安裝于盒體(I)內(nèi)部的兩個支撐軸(4)； 安裝于兩個支撐軸(4)上的兩個L型梁(5)，每個L型梁均具有豎直方向部分(6)和水平方向部分(7)，兩個L型梁(5)的水平方向部分(7)相對且不接觸，使L型梁(5)能夠繞支撐軸(4)轉(zhuǎn)動一定角度； 安裝于承壓膜片(2)與兩個水平方向部分(7)的端部之間的中心傳力桿(3)，中心傳力桿⑶將承壓膜片⑵的縱向位移傳遞給兩個L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部； 安裝于雙L型梁(5)的豎直方向部分(6)的端部檢測土壓力信號的光纖光柵(8)，承壓膜片(2)的縱向位移通過中心傳力桿(3)和兩個L型梁(5)被傳遞給光纖光柵(8)，使光纖光柵⑶產(chǎn)生軸向應(yīng)變； 設(shè)置于盒體(I)兩端部側(cè)壁的兩個引出小孔(9)，光纖光柵(8)的尾纖通過該兩個引出小孔(9)被引出； 安裝于盒體(I)底部密封和保護(hù)盒體(I)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的底板(10)。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，所述承壓膜片(2)、中心傳力桿(3)和兩個L型梁(5)構(gòu)成一個縱向-橫向位移轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外界土壓力時，該兩個L型梁(5)通過旋轉(zhuǎn)將承壓膜片(2)撓度傳遞給光纖光柵(8)，引起該光纖光柵(8)發(fā)生軸向應(yīng)變。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，所述支撐軸(4)為階梯狀，以限制L型梁(5)沿支撐軸(4)的平動，使L型梁(5)只有一個繞支撐軸(4)的旋轉(zhuǎn)自由度，進(jìn)而提高該光纖光柵土壓力傳感器的穩(wěn)定性能。4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器，其特征在于，所述光纖光柵土壓力傳感器是通過改變承壓膜...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張文濤，李峰，杜彥良，李芳，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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