[實用新型]光纖光柵水工滲壓傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200820151228.0
• 申請日: 2008-07-25
• 公開（公告）號: CN201266096Y
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳永紅;屈文俊;周巍;張盛東
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學(xué)
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01L11/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種新型大壩及其他水工建筑物滲壓觀測傳感器，尤其是光纖光柵水工滲壓傳感器，屬高新技術(shù)。

背景技術(shù)

世界上40％以上的水庫大壩的潰壩事故是由庫水滲流所致。滲流監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的一個關(guān)鍵項目，對保障大壩安全具有重要意義。

工程實踐表明，傳統(tǒng)的電測點式滲壓計具有相當(dāng)?shù)木窒扌裕饕憩F(xiàn)在：儀器的長期穩(wěn)定性差；精度不高，分辨率較低；難以做到復(fù)用和進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙測，漏檢、誤檢多；滲壓計埋設(shè)較困難等。另一方面，隨著一大批世界級的高壩在我國的相繼開工、建成，迫切需要實現(xiàn)傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測技術(shù)的更新?lián)Q代。

光纖光柵傳感技術(shù)是近年來發(fā)展最快的傳感技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航天、土木、電力、石油、化工等各個領(lǐng)域?；谧钚掳l(fā)展的光纖光柵傳感技術(shù)，研制能適用于水利土木工程的性能優(yōu)越的高技術(shù)滲壓傳感。以期對大壩工程的內(nèi)部滲流狀況實現(xiàn)連續(xù)、立體、靈敏、可靠的監(jiān)測。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的目的在于提供一種光纖光柵水工滲壓傳感器，用于水利、土木工程中的滲透壓力觀測，具有抗電磁干擾、耐久可靠、精度高、易于遙測并可進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測等眾多優(yōu)點。

為達(dá)到以上目的，本實用新型的解決方案是：

一種光纖光柵水工滲壓傳感器，其包括封裝殼、中心柱、光纖，封裝殼為扁橢球形殼體，中心柱設(shè)置于封裝殼中心，其內(nèi)埋有光纖光柵。

進(jìn)一步，該中心柱采用硼硅酸鹽PYREX類玻璃或其它低彈模材料。

該封裝殼為空心殼體，其與中心柱焊接組裝。

該封裝殼的外部還串接有測量環(huán)境溫度的光柵，其波長與中心柱內(nèi)的光纖光柵波長不等。

該扁橢球形的封裝殼厚度為1-2mm，其長軸長度≥80mm，短軸長度≤15mm，中心柱直徑為1-2mm。

該傳感器的參數(shù)為≥2000Kpa，分辨率為≤0.05％F.S，精度為≤0.02％F.S，溫度范圍為-20℃～+80℃。

由于采用了以上技術(shù)方案，本實用新型具有以下有益效果：

具有結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便、防雷擊及電磁干擾、耐久可靠、精度高、易于遙測、可實現(xiàn)準(zhǔn)分布檢測等顯著特點。

附圖說明

圖1是光纖光柵水位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是優(yōu)化的結(jié)構(gòu)型式。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖所示實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本實用新型傳感器優(yōu)化設(shè)計為扁橢球形殼體1，殼體1中央安裝一圓柱2，圓柱2中埋有光纖3光柵4。橢球形殼1的主要功能是用于壓力增敏，將其外表面受到的水應(yīng)力傳遞到中心柱2，引起中心柱2和其發(fā)生同步變形，從而調(diào)制中心柱2中光纖3光柵4中心反射波長的變化。測試波長移動大小，即可推知滲水壓力大小。

對于水庫和河道等大型工程，可以假定傳感器所置局部工程環(huán)境溫度相同。據(jù)此，在傳感器封裝殼1外部串聯(lián)一光柵。該光柵與中心柱2內(nèi)光纖3光柵4波長不等，且不受應(yīng)力作用，用于測量環(huán)境溫度，從而實現(xiàn)應(yīng)變與溫度交叉敏感的分離。

為獲得足夠的檢測靈敏性，需對傳感器的材料、幾何構(gòu)型和規(guī)格進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)化目標(biāo)為中心柱2的軸向應(yīng)變。材料選用與光纖纖芯力學(xué)性質(zhì)相近的硼硅酸鹽PYREX類玻璃，以降低材料力學(xué)特性差異引起的非線性效應(yīng)，以及應(yīng)變傳遞損失，同時易于傳感器的加工制作。材料也可選用其它低彈模材料。

結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格的優(yōu)化，是基于對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變分析。分析采用三維有限單元法，以200m高水頭壓力作為最大計算控制荷載，以封裝殼1內(nèi)中心柱2最大軸向應(yīng)變，優(yōu)化分析傳感器的型式和尺寸規(guī)格，有限元模型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果見圖2及下表1。

表1?優(yōu)化的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格

傳感器制作。根據(jù)分析計算結(jié)果，首先分別制作傳感器的封裝殼1和中心柱2，然后將兩者焊接組裝，最后將光纖3光柵4封入中心柱2，即制成光纖傳感器。

傳感器所受水壓與中心柱應(yīng)變關(guān)系。水頭h取50m、100m、150m，分別計算中心柱2相應(yīng)的應(yīng)變值ε，計入以上水頭200m時的情況，得水位和中心柱2應(yīng)變之間的關(guān)系見表2。由表2可見，兩者成線性關(guān)系。

靈敏性檢測。將模型放入高度大于1m的量筒底部，通過調(diào)節(jié)量筒內(nèi)水位高度，測試光纖光柵中心反射波長和水位之間的變化關(guān)系。波長解調(diào)采用MicronOptics公司生產(chǎn)的Si425-500。取光纖光柵的中心反射波長選為1550nm，得測試結(jié)果列與下表3。

表2?傳感器水頭和中心柱應(yīng)變關(guān)系