專利名稱：用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測量裝置，尤其涉及一種用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧 組合式位移計(jì)。
背景技術(shù)：
以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)，起源于17世紀(jì)，經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，到20世 紀(jì)70年代，得到了空前的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及科學(xué)研究的所有學(xué)科。地 下洞室模型試驗(yàn)正是起始于這一時(shí)期，主要是由于交通、水電等工程中一些地下洞室的規(guī)模 越來越大，需要認(rèn)真研究其圍巖的穩(wěn)定性。這種需要有力地促進(jìn)了地下洞室模型試驗(yàn)的發(fā)展； 反過來，地下洞室模型試驗(yàn)解決了工程實(shí)際中的許多當(dāng)時(shí)難以解決的問題，推動(dòng)了大型地下 洞室工程的建設(shè)。在國內(nèi)，地下洞室模型試驗(yàn)開始于20世紀(jì)70年代末期80年代初期，也是 由于工程建設(shè)的需要而發(fā)展起來的。進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，就必然要進(jìn)行相應(yīng)的位移測量。 位移測量多采用位移傳感器進(jìn)行測量，以下先對(duì)國內(nèi)外一些主要應(yīng)用于模型試驗(yàn)的位移測量 方法和設(shè)備進(jìn)行介紹
(1) 在大朝山水電站巖壁吊車梁模型試驗(yàn)研究采用了百分表對(duì)位移標(biāo)定進(jìn)行位移測量， 這種古老的方法無法應(yīng)用無模型內(nèi)部測點(diǎn)的測量。
(2) 總參工程兵科研三所研制了一套由模型塊體內(nèi)的預(yù)埋件和外部的千分表組成的聯(lián)桿 系統(tǒng)，解決了洞壁絕對(duì)位移的量測問題。這套系統(tǒng)采用千分表進(jìn)行測量，精度較低。采用聯(lián) 桿件進(jìn)行位移傳遞，占用模型內(nèi)部空間大，并影響模型自身變形。
(3) 山東大學(xué)研制了一套由光柵尺，鋼絲繩和模型塊體內(nèi)預(yù)埋件組成的多點(diǎn)位移計(jì)系統(tǒng)， 測量精度高。它需要把位移通過鋼絲繩傳遞到模型外部進(jìn)行測量。當(dāng)鋼絲繩遇到洞室或其他 不可穿越的結(jié)構(gòu)時(shí)，就無法將位移傳遞到外部的光柵尺進(jìn)行測量。
(4) 在三維模型中，地質(zhì)構(gòu)造(如斷層或夾層)內(nèi)部相對(duì)位移的測量十分重要，而內(nèi)部位移 傳感器并沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品。長江科學(xué)院研制出一種高精度位移計(jì)，采用等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)形式， 用0.5 ram厚的磷銅片制成，在梁上、下部共貼4片電阻片,組成全橋電路,使用時(shí)將其埋設(shè)在 構(gòu)造面的下盤,其上埋一個(gè)固定樁，這樣就可以測量結(jié)構(gòu)面上、下盤的相對(duì)位移。這種位移計(jì) 可以埋設(shè)在模型內(nèi)部，但是由于位移計(jì)只能埋設(shè)在測點(diǎn)附件，并采用固定樁進(jìn)行位移傳遞， 這樣大大破壞了測點(diǎn)周邊模型材料，并阻礙對(duì)模型自身的變形，無法應(yīng)用于兩個(gè)洞室間邊墻 的位移測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決目前位移測量裝置體型過大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、成本高、 測量精度不佳等問題，提供一種具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低廉且測量精度高等優(yōu)點(diǎn)的 用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，它包括彈簧單元、調(diào)節(jié)螺 栓、光纖量測單元以及鋼絲繩，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與光纖量測單元 連接；光纖量測單元另一端則與調(diào)節(jié)螺栓連接。
所述彈簧單元為直徑5ram 8mra的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲制成，進(jìn)行串并聯(lián)制作成 所需剛度的彈簧單元。
所述光纖量測單元的基體為聚乙烯棒，其上粘貼光纖光柵。
所述聚乙烯棒是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
所述鋼絲繩直徑為0. 5ram,由7X7股細(xì)鋼絲絞成。
光柵應(yīng)變位移計(jì)主要由五個(gè)部分組成，有彈簧單元、調(diào)節(jié)螺栓、聚乙烯棒、光纖光柵、
以及鋼絲繩子組成。彈簧直徑為5mm 8mm,可以根據(jù)具體的測量要求采用不同直徑的彈簧 鋼絲制作，進(jìn)行串并聯(lián)制作成所需剛度的彈簧單元；調(diào)節(jié)螺栓可以用來調(diào)節(jié)位移計(jì)的初始狀 態(tài)，避免位移計(jì)超過量測范圍；聚乙烯棒是粘貼光柵傳感器的基體，彈性模量為50Mpa 100Mpa,制作成3mm直徑的圓棒，剛度較小，在很小的作用力下可以產(chǎn)生較大的應(yīng)變，對(duì) 位移響應(yīng)的靈敏度高，也可以根據(jù)測量要求選用其他材料作為基體；鋼絲繩直徑為O.Smm， 由7X7股細(xì)鋼絲絞成，剛度大并且柔軟，用于在位移計(jì)受拉時(shí)傳遞位移。光纖光柵在受到應(yīng) 力和溫度改變時(shí)，引起光柵布拉格波長漂移，其中溫度產(chǎn)生的波長漂移可以通過設(shè)置溫度補(bǔ) 償進(jìn)行消除，因此以波長的漂移量作為因變量，與光纖應(yīng)變有對(duì)應(yīng)關(guān)系。光纖光柵對(duì)應(yīng)變響 應(yīng)的靈敏度高，粘貼在聚乙烯棒表面測量聚乙烯棒產(chǎn)生微小形變所引起的光柵波長漂移量， 可使得位移計(jì)的精度提高到O.OOlmm。光柵位移計(jì)采用彈簧進(jìn)行受力，不超過彈簧彈性極限 長度的位移都可以測量，同時(shí)光柵的極限應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變，可使位移計(jì)量程達(dá)到2mm。 光柵應(yīng)變位移計(jì)所使用的部件都為棒狀，尺寸都不大于8mm,外部采用lcm的塑料管進(jìn)行保 護(hù)，可以埋設(shè)在模型內(nèi)部進(jìn)行測量。 本發(fā)明的有益效果是
(1) 占用空間小。埋設(shè)在模型內(nèi)部所需空間小，可減少對(duì)模型材料的破壞；
(2) 精度高。采用光纖光柵作為應(yīng)變傳感器，精度較同類位移計(jì)高；
(3) 位移計(jì)尺寸可變。根據(jù)不同類型不同尺寸模型試驗(yàn)的需要，改變光柵位移計(jì)的長度 和直徑，以適應(yīng)模型試驗(yàn)的要求。
(4) 可調(diào)節(jié)性。光柵位移計(jì)埋設(shè)到模型內(nèi)部后，因?yàn)槠渌蛩厥堑奈灰朴?jì)初始狀態(tài)改變， 可以通過調(diào)節(jié)裝置改變其初始狀態(tài)，使其符合以后的量測要求。
(5) 可以埋設(shè)于模型內(nèi)部。在無法將位移傳遞到模型外部進(jìn)行測量時(shí)，可以將懸臂梁式 位移計(jì)埋設(shè)在模型內(nèi)部，引出信號(hào)線進(jìn)行測量。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l.調(diào)節(jié)螺栓，2.聚乙烯棒，3.光纖光柵，4.彈簧單元，5.鋼絲繩。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1中，它包括彈簧單元4、調(diào)節(jié)螺栓l、光纖量測單元以及鋼絲繩5，彈簧單元4一端 通過鋼絲繩5固定，另一端與光纖量測單元連接；光纖量測單元另一端則與調(diào)節(jié)螺栓l連接。
彈簧單元為4直徑5mm 8mm的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲制成，進(jìn)行串并聯(lián)制作成所 需剛度的彈簧單元。
光纖量測單元的基體為聚乙烯棒2，其上粘貼光纖光柵3。
聚乙烯棒2是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
鋼絲繩5直徑為0. 5mm,由7X7股細(xì)鋼絲絞成。
光柵應(yīng)變位移計(jì)的主要機(jī)理兩段固定點(diǎn)的位移通過鋼絲繩傳遞給彈性元(由彈簧和聚 乙烯棒組成)，彈性元受拉產(chǎn)生的拉力，拉力的大小跟位移大小成正比，同時(shí)粘貼光纖光柵的 聚乙烯棒受拉的應(yīng)變跟拉力也成正比，因而位移與聚乙烯棒拉應(yīng)變成對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于光柵傳 感器粘貼在聚乙烯棒上，聚乙烯棒的應(yīng)變就傳遞給光柵傳感器，光柵傳感器的應(yīng)變量可以通 過波長漂移量確定出來。因此可以知道位移變化量x是波長入的函數(shù)f (入)，即x-f (JO。這 種函數(shù)關(guān)系通過標(biāo)定試驗(yàn)確定。
A.光柵應(yīng)變位移計(jì)設(shè)計(jì)原理
彈性元件
1.彈性元件的原理
光纖量測單元為一粗細(xì)均勻的均質(zhì)細(xì)桿，彈簧單元可以為一個(gè)或一組彈簧。
設(shè)彈簧單元的剛度系數(shù)為Kl，光纖量測單元的抗拉剛度為K2， E為光纖量測單元所用材料的彈性模量，A為細(xì)桿的橫截面積，L為細(xì)桿的長度。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可以得到，光纖量測單元的 抗拉剛度K2=EA/L系統(tǒng)的總剛度為 K= " K2/( " +K2)
彈性元件受力F與位移f的關(guān)系為F=Kf ，而在光纖量測單元中應(yīng)變與力的關(guān)系為F-EAe。 可以得到彈性元件的應(yīng)變與位移的關(guān)系e= Kf/ EA 靈敏度為dE/df=K/EA 2.彈性元件的設(shè)計(jì)
由靈敏度dE/df-K/EA-]/ (L+EA/")，可以看出只要調(diào)整光纖量測單元材料的彈性模 量E、細(xì)桿的橫截面積A和細(xì)桿的長度L以及彈簧單元的剛度系數(shù)"就可以根據(jù)量測需要調(diào) 整彈性元件的靈敏度。設(shè)0=1<2 /"為光纖量測單元與彈簧單元的剛度比，又可以得到dE/df =(3/L) /(l+K2/K—3/L(C+l)。
另外，光纖量測單元的材料參數(shù)還需要滿足光柵傳感器最大極限應(yīng)變和光柵自身靈敏度
的要求，并滿足測量的最大量程。設(shè)光柵的最大極限應(yīng)變?yōu)镋max，所需要的量測為d，則最大 靈敏度為Emax/d。
令彈性單元靈敏度為e,Jd，則Emax/d = 3/L(C+l)。 L可以根據(jù)光柵傳感器最小粘貼所需長 度確定。代入上式就可以確定C。
彈性元件的受到的變形力為F-Kf,其中K-"C/(C+1)。彈性元件受到的變形力越大，其 抵抗外力干擾能力就越強(qiáng)，穩(wěn)定性就越高好，但是受到的變形力越大，就阻礙了被測體的變 形。應(yīng)當(dāng)根據(jù)所被測物的實(shí)際條件，確定"值。
也可以根據(jù)所選用的光纖量測單元的材料性質(zhì)，先確定1<2,在根據(jù)C求得K。模型試驗(yàn) 需要的量測為lmm,光柵的極限應(yīng)變?yōu)?000Xl(T6,則最大靈敏度為2。光柵傳感器最小粘 貼所需長度L為7cm。可以得到〔=6.14。
由于模型試驗(yàn)測量的邊墻位移為被動(dòng)位移，變形力過大會(huì)阻礙邊墻位移，因而彈性元件 所受變形力應(yīng)當(dāng)小一些，并且能滿足穩(wěn)定性要求。選用的材料為聚乙烯圓棒，彈性模量E為 50 100Mpa,取100Mpa。圓棒子直徑為3mm。 K2=10092N/mm, Ki=1643 N/mm。
B.光纖光柵應(yīng)變測量
光纖光柵應(yīng)變測量原理
在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中,最直接的為應(yīng)力參量。應(yīng)力引起光柵布拉 格波長漂移可以由下式描述
式中AAB是波長漂移量，neff是光纖的有效折射率，AA表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈 性變形，Aneff表示光纖的彈光效應(yīng)，A表示光線光柵的柵距。外界不同的應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致AA 和厶neff的不同變化。經(jīng)過推導(dǎo)得
AXbAb = {0.5 (neff) 2[(Pn+P余Pd+l) ￡=ke (2) 式中:Ab為反射光的初始波長，Pu， Pu為光纖材料的光彈性系數(shù)，neff是光纖的有效折射率， v為光纖材料的泊松比，k即為光纖光柵由彈光效應(yīng)引起的波長漂移縱向應(yīng)變靈敏度系數(shù)，e 光纖材料的軸向應(yīng)變值。利用純?nèi)廴谑⒌膮?shù),Pu-0.121,Pi2-0.270,v-0.17,nefFl.456,可得光 纖光柵相對(duì)波長漂移應(yīng)變靈敏度系數(shù)k=0.784。同時(shí),與外加應(yīng)力相似,外界溫度的改變同樣也 會(huì)引起光纖光柵Bragg波長的漂移。在模型中埋入了一個(gè)封裝好的溫度傳感器,該傳感器只感 受溫度的變化,不受應(yīng)變的影響,以便對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
AXbAb = k￡可以看出漂移量與應(yīng)變?cè)谝欢☉?yīng)變范圍內(nèi)是基本成線性的。 公式可以變?yōu)锳XB-kXBe,左右都加上入b,得到\=1<\8￡+入8， A為布拉格光柵的波長。因此 可以標(biāo)定X與e的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，它包括彈簧單元、調(diào)節(jié)螺栓、光纖量測單元以及鋼絲繩，其特征是，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與光纖量測單元連接；光纖量測單元另一端則與調(diào)節(jié)螺栓連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，其特征 是，所述彈簧單元為直徑5mm 8mm的彈簧，由不同直徑的彈簧鋼絲制成，進(jìn)行串并聯(lián)制作成 所需剛度的彈簧單元。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，其特征 是，所述光纖量測單元為聚乙烯棒，其上粘貼光纖光柵。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，其特征 是，所述聚乙烯棒是彈性模量為50Mpa 100Mpa的3mm直徑圓棒。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)，其特征 是，所述鋼絲繩直徑為0. 5mm,由7X7股細(xì)鋼絲絞成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于模型試驗(yàn)的微型內(nèi)置拉伸型光纖彈簧組合式位移計(jì)。它解決了目前位移測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，成本高，測量精度不佳等問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低廉且測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為它包括彈簧單元、調(diào)節(jié)螺栓、量測單元以及鋼絲繩，所述彈簧單元一端通過鋼絲繩固定，另一端與量測單元連接；量測單元另一端則與調(diào)節(jié)螺栓連接。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101344381SQ20081013897
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者孫林鋒, 朱維申, 李術(shù)才, 隋青美, 蒙 黃 申請(qǐng)人:山東大學(xué)