[發明專利]一種楔形結構光纖光柵位錯計

在審

• 申請號: 201710128813.2
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106767689A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 孫麗;徐自強;張春巍;李闖;朱春陽
• 申請（專利權）人: 沈陽建筑大學
• 主分類號: G01C5/00
• 分類號: G01C5/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 俞魯江

1.一種楔形結構光纖光柵位錯計，包括由滑動頭(1)、懸臂梁(2)、傳感光纖光柵(3)、補償光纖光柵(4)、傳動桿(5)、限位板(6)、螺栓(7)、楔形塊(9)、彈簧(8)、保護外殼(10)與固定片(11)；

保護外殼(10)為矩形盒式，側壁上設有用于滑動頭(1)伸出的狹長活動縫，保護外殼(10)內與活動縫對應的一側固定楔形塊(8)；

滑動頭(1)末端為U型板結構，該U型板卡到楔形塊(8)上；在U型板上通過螺栓固接有兩個懸臂梁(2)；兩個懸臂梁(2)的活動端通過傳動桿(5)連接在一起；將楔形塊(8)斜面深入滑動頭(1)凹槽內，使得傳動桿(5)與楔形塊(9)的斜面相接觸；限位板(6)對稱固定于滑動頭(1)伸出活動縫部分，用來防止活動頭水平運動；

保護外殼(10)端面上固接有彈簧(9)，彈簧(9)另一端呈自由狀態與滑動頭(1)抵接；

在滑動頭(1)的U型板上設有補償光纖光柵(4)，在懸臂梁(2)上設有傳感光纖光柵(3)；將滑動頭(1)上開圓孔，用于傳感光纖光柵(3)和補償光纖光柵(4)的尾纖通過圓孔穿出，在尾纖套上光纖松套管。

2.根據權利要求1所述的一種楔形結構光纖光柵位錯計，其特征在于：

所述傳感光纖光柵(3)為Bragg光柵。

3.根據權利要求1所述的一種楔形結構光纖光柵位錯計，其特征在于：

采用楔形塊(9)將沉降位移差轉換成懸臂梁(2)自由端的撓度。

4.根據權利要求1所述的一種楔形結構光纖光柵位錯計，其特征在于：

楔形塊(9)將待測沉降位移差轉換成懸臂梁(2)自由端的撓度，通過傳感光纖光柵(3)對懸臂梁(2)臨近固定端處彎曲應變進行測量，并采用參考光柵法解決了光纖光柵交叉敏感問題。

5.根據權利要求1所述的一種楔形結構光纖光柵位錯計，其特征在于：

工作原理如下：

楔形塊傾斜的角度為α，則滑動傳導臂相對位移Δx與懸臂梁端部撓度y的關系為：

Δx＝y·tanα (1)

對于懸臂梁有：

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{M_x}{W_z}=\frac{6Fl}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(2\right)$

$y=\frac{{\mathrm{Fl}}^3}{3EI}---\left(3\right)$

σ_max＝E·ε(4)

其中σ_max是懸臂梁上光纖光柵粘貼處中間部位的最大應力，F為懸臂梁端部與楔形塊接觸處垂直于錳鋼梁方向的合力，y為在F作用下懸臂梁端部的撓度，l為錳鋼懸臂梁的有效工作長度，b為懸臂梁的截面寬度，h為懸臂梁的厚度，E為懸臂梁的彈性模量，I為懸臂梁的截面慣性矩，ε為懸臂梁表面粘貼光纖光柵處的應變；

由(1)-(4)可以得到：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3h\mathrm{\Δ}x}{2l^2\tan \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

若不考慮溫度導致中心波長的改變量，懸臂梁表面封裝的光纖光柵工作原理表達式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{k_{\mathrm{\ϵ}}}=\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

式中，Δλ_B為相對于起始位置的中心波長改變量，k_ε為光纖光柵應變靈敏度系數

由(5)和(6)可以得出：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{2l^{2}tan\mathrm{\α}}{3{\mathrm{hk}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_B---\left(7\right)$

令則有：

Δx＝K·Δλ_B (8)

式中，K為位錯計的靈敏度系數；

式(8)即為一種楔形結構光纖光柵位錯計的光—位移方程；由此式可看出相對沉降量Δx與相對于初始位置光纖光柵中心波長改變量Δλ_B之間成線性關系，當溫度恒定，通過監測中心波長改變量Δλ_B從而獲得相對沉降量Δx的結果，如果溫度改變，公式(8)中的Δλ_B需要消除不受力溫度補償光纖光柵波段的變化。