[實(shí)用新型]一種基于雙L型梁的光纖光柵土壓力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220572574.2
• 申請日: 2012-11-01
• 公開（公告）號: CN202974522U
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 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
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及土木工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，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。

背景技術(shù)

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(shí)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(shí)際檢測過程存在長期穩(wěn)定性差、精度低、易受電磁侵?jǐn)_、實(shí)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步監(jiān)測，更適合長期實(shí)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，(1)：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0.2，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，本實(shí)用新型提出一種基于雙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(diǎn)解決土壓力傳感器體積、靈敏度以及封裝工藝等問題。

實(shí)用新型內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本實(shí)用新型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，本實(shí)用新型提供了一種基于雙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；