專利名稱：一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種具有溫度自補(bǔ)償功能的高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，特別是一種可用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與土木工程中，對巖體和土體等固體介質(zhì)中的土壓力的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)分布式監(jiān)測的土壓力計(jì)。
背景技術(shù)：
在填土、路基、堤壩、灰壩、軟基等土木工程以及地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，巖體或土體等固體介質(zhì)壓力是重要工程參數(shù)。目前土壓力參數(shù)的測量多采用膜片結(jié)構(gòu)，且大多使用電阻應(yīng)變式、振弦式等電類土壓力傳感器，該類基于電信號的傳感器精度低，易受電磁干擾，防水性能差，長期使用穩(wěn)定性差，且不易組網(wǎng)進(jìn)行以分布式場參數(shù)的監(jiān)測。光纖光柵是一種對溫度和應(yīng)變敏感的光學(xué)無源器件，它靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍寬、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活、抗腐蝕、耐高溫、抗電磁干擾、防水性能好、且無電火花隱患可在易燃易爆等惡劣環(huán)境中工作，同時(shí)，光纖光柵傳感器采用波長編碼，不受傳輸過程中強(qiáng)度信號影響，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)；并且便于構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量?；诠饫w光柵的土壓力傳感器，其關(guān)鍵在于通過某種結(jié)構(gòu)將沿光纖光柵徑向的土壓力轉(zhuǎn)化為光纖光柵軸向的應(yīng)變，現(xiàn)有的光纖光柵土壓力傳感器在解決該問題時(shí)多采用膜片與懸臂梁或簡支梁相結(jié)合的方式，或者采用與這類結(jié)構(gòu)原理相同的構(gòu)造，將膜片中心的位移轉(zhuǎn)換為梁的表面應(yīng)變，這種方式會(huì)導(dǎo)致光纖在應(yīng)力下產(chǎn)生彎曲或受力不均，產(chǎn)生光強(qiáng)損耗甚至啁啾現(xiàn)象，并且靈敏度低，無法滿足工程及試驗(yàn)中高靈敏度測量的需求。

實(shí)用新型內(nèi)容基于上述分析，本實(shí)用新型提供一種測量靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，防水性能好，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)分布式監(jiān)測，且不會(huì)造成光柵受力不均而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響的高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，包括外殼、壓力敏感部件、壓力測量部件和固定盤，所述的壓力敏感部件、壓力測量部件、固定盤設(shè)于保護(hù)殼體內(nèi)，所述的殼體的上端設(shè)有承壓盤，殼體壁上有兩組過孔；所述的壓力敏感部件包括波紋膜片、傳力桿，所述的波紋膜片橫向穿過傳力桿，且波紋膜片的兩端與殼體剛性連接，傳力桿一端與固定盤連接，另一端與承壓盤中心連接；所述的壓力測量部件包括軸承、鋼絲、測量光柵和光纖，所述的軸承的中心軸穿過殼體壁的一組過孔，所述的光纖的兩端穿過殼體壁上的另一組過孔，測量光柵刻制于光纖上，測量光柵一端與鋼絲連接，另一端固定于光纖引出孔上，所述的鋼絲繞過軸承與固定盤連接。所述殼體為圓柱腔體，殼體的下端設(shè)有圓盤端蓋，所述的波紋膜片的兩端通過環(huán)形緊固圈與殼體剛性連接，所述的測量光柵一端與鋼絲通過膠體連接。所述承壓盤中心部分向內(nèi)側(cè)突出，承壓盤的突出部分設(shè)有與傳力桿配合的盲孔螺紋.[0009]所述軸承設(shè)有用于放置鋼絲的凹槽，軸承的中心軸固定于殼體上，所述的固定盤中心也有與傳力桿配合的盲孔螺紋，固定盤邊緣開有用于固定鋼絲的凹槽；所述的鋼絲繞過微型軸承粘接在固定盤的凹槽內(nèi)。所述傳力桿兩端直徑小于中部直徑，且兩端均帶有螺紋。所述的波紋膜片圓心設(shè)有過孔，過孔內(nèi)徑與傳力桿螺紋端外徑匹配，且小于傳力桿中部直徑。所述的承壓盤、波紋膜片、固定盤三者同心。所述的兩組過孔的中心線相互垂直，且兩組過孔的中心線相對于殼體中心線偏心設(shè)置，所述的軸承是微型軸承。裝置還包括環(huán)形緊固圈，所述的環(huán)形緊固圈與外殼螺紋連接，所述的環(huán)形緊固圈與承壓盤之間設(shè)有橡膠密封圈。裝置還包括溫補(bǔ)光柵，溫補(bǔ)光柵與側(cè)量光柵為同一條光纖上刻制的兩個(gè)光柵，兩光柵相串聯(lián)，所述的溫補(bǔ)光柵兩端連接到固定于殼體側(cè)壁上，溫補(bǔ)光柵呈彎曲狀，且與測量光柵分布在中心軸的兩側(cè)。本實(shí)用新型的高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，包括殼體，殼體側(cè)壁開有兩組過孔，一組用于安裝帶有微型軸承的鋼桿，另一組用于引出光纖。殼體一端連接圓盤端蓋，另一端通過環(huán)形緊固圈與波紋膜片剛性連接。帶有螺紋的傳力桿穿過波紋膜片中心的過孔與承壓圓盤中心固定，傳力桿的另一端連接邊緣開有凹槽的固定盤。測量光柵與溫補(bǔ)光柵串聯(lián)，鋼絲一端與兩光柵之間的光纖膠接，另一端繞過帶有凹槽的微型軸承膠接在固定盤的凹槽內(nèi)。溫補(bǔ)光柵兩端固定在置于殼體側(cè)壁的溫補(bǔ)光柵固定座上，兩座之間光纖微彎。環(huán)形緊固圈與承壓盤之間設(shè)有橡膠密封圈，光纖從殼體壁兩側(cè)的光纖引出孔中引出。在使用時(shí)將土壓力計(jì)埋設(shè)于結(jié)構(gòu)物表面或巖體土體等固體介質(zhì)中直接量測固體介質(zhì)的自由場應(yīng)力或表面壓力。剛性的承壓圓盤與介質(zhì)接觸感受外界壓力并避免承壓盤上表面的應(yīng)力分布不均，不考慮橡膠密封圈所受壓力，外界壓力通過傳力桿轉(zhuǎn)化為集中力全部作用于波紋膜片中心使波紋膜片中心產(chǎn)生位移，從而在膠接于固定盤鋼絲的一端產(chǎn)生拉力，該拉力通過的微型軸承轉(zhuǎn)化為測量光柵的軸向應(yīng)力，從而引起測量光柵中心波長的漂移。溫補(bǔ)光柵用于補(bǔ)償環(huán)境溫度，在測量過程中不受拉力影響。橡膠密封圈與承壓盤接觸，防止測量過程中固體介質(zhì)進(jìn)入土壓力計(jì)內(nèi)部影響測量結(jié)果。使用光纖光柵波長解調(diào)儀檢測測量光柵與溫補(bǔ)光柵的中心波長，由軟件采集分析數(shù)據(jù)，得到被測土壓力與中心波長的對應(yīng)關(guān)系。本實(shí)用新型的有益效果是:它采用剛性承壓盤作為一次受力部件，避免了膜片形變導(dǎo)致的應(yīng)力分布不均，采用波紋膜片作為二次受力部件，且將膜片中心位移直接轉(zhuǎn)化為測量光柵的軸向應(yīng)變，靈敏度高，內(nèi)置的溫補(bǔ)光柵可用于補(bǔ)償溫度影響。本實(shí)用新型基于全光信號設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性好，抗電磁干擾，防水性能好且無電火花隱患，便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1為本實(shí)用新型高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)的正視剖面圖；[0020]圖2為本實(shí)用新型高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)的俯視剖面結(jié)構(gòu)簡圖；圖中1.承壓盤，2.環(huán)形緊固圈，3.密封圈，4.殼體，5.圓盤端蓋，6.波紋膜片，
7.測量光柵，8.溫補(bǔ)光柵，9.鋼桿，10.鋼絲，11.微型軸承，12.固定盤，13.傳力桿，14.溫補(bǔ)光柵固定座，15.光纖，16.光纖引出孔。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。圖1、圖2中，殼體4側(cè)壁開有兩組過孔，一組用于安裝帶有微型軸承11的鋼桿9，另一組用于引出光纖15。殼體4 一端連接圓盤端蓋5，另一端通過環(huán)形緊固圈2與波紋膜片6剛性連接。帶有螺紋的傳力桿13穿過波紋膜片6中心的過孔與承壓圓盤I中心固定，傳力桿13的另一端連接邊緣開有凹槽的固定盤12。測量光柵7與溫補(bǔ)光柵8串聯(lián)，鋼絲10—端與兩光柵之間的光纖15膠接，另一端繞過帶有凹槽的微型軸承11膠接在固定盤12的凹槽內(nèi)。溫補(bǔ)光柵8兩端固定在置于殼體4側(cè)壁的溫補(bǔ)光柵固定座14上,兩座之間光纖微彎。環(huán)形緊固圈2與承壓盤I之間設(shè)有橡膠密封圈3，光纖15從殼體4壁兩側(cè)的光纖引出孔16中引出。鋼絲10與固定盤12粘接之前必須預(yù)拉伸鋼絲10，確保鋼絲10拉直，避免出現(xiàn)測量過程中鋼絲10彎曲導(dǎo)致分辨率低，影響測量結(jié)果。環(huán)形緊固圈2與承壓盤I之間設(shè)有密封圈3，用于防止固體介質(zhì)進(jìn)入波紋膜片6與承壓盤I之間，影響傳感器性能。密封圈3選用軟橡膠材料，以保證密封圈3對承壓盤I的反彈力最小。環(huán)形緊固圈2和圓盤端蓋5與殼體4之間均為螺紋連接。承壓盤1、波紋膜片6、固定盤12是同心的。殼體4為圓柱腔體，鋼桿9與光纖引出孔16均不經(jīng)過圓柱的軸心。當(dāng)受到固體介質(zhì)壓力，承壓盤I感受并集中該壓力，并經(jīng)過傳力桿13作用于波紋膜片6的中心，使其產(chǎn)生形變，該形變通過傳力桿13拉動(dòng)鋼絲10，鋼絲10所受拉力經(jīng)微型軸承11轉(zhuǎn)向?qū)y量光柵7產(chǎn)生拉壓作用，從而引起測量光柵7中心波長產(chǎn)生漂移。溫補(bǔ)光柵8不受拉力影響，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度變化。本實(shí)用新型的具體制作過程為:首先，將鋼絲10粘貼在測量光柵7與溫補(bǔ)光柵8之間的光纖15上，將光纖15穿過光纖引出孔16。固定溫補(bǔ)光柵8座于殼體4內(nèi)壁的合適位置，并將鋼桿9 一端插入殼體4的過孔，微型軸承11穿過鋼桿9，在其凹槽與鋼絲10重合位置與鋼桿9固定，鋼桿9兩端的過孔使用膠黏劑封死。然后，將溫補(bǔ)光柵8微彎，粘貼在溫補(bǔ)光柵固定座14上。使用環(huán)形緊固圈2固定波紋膜片6與殼體4，并放置密封圈3，把傳力桿13穿過波紋膜片6中間的過孔，通過螺紋與承壓盤I連接，傳力桿13另一端與鋼絲12固定盤固定。最后，使用膠黏劑將測量光柵7的一端固定在光纖引出孔16，保持鋼絲10為拉緊狀態(tài)其另一端繞過微型軸承11穿過固定盤12邊緣的凹槽，使用快固型膠黏劑填充鋼絲10與凹槽，待膠完全凝固后蓋好圓盤端蓋5。在現(xiàn)場檢測時(shí)，首先將土壓力計(jì)埋設(shè)于被測介質(zhì)內(nèi)，承壓盤I感受被測壓力，使用光纖光柵波長解調(diào)儀對測量光柵7與溫補(bǔ)光柵8的波長漂移同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)過軟件處理數(shù)據(jù)，消除溫度影響，并將測得的波長變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的土壓力值。
權(quán)利要求1.一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，包括外殼、壓力敏感部件、壓力測量部件和固定盤，所述的壓力敏感部件、壓力測量部件、固定盤設(shè)于保護(hù)殼體內(nèi)，其特征在于:所述的殼體的上端設(shè)有承壓盤，殼體壁上有兩組過孔；所述的壓力敏感部件包括波紋膜片、傳力桿，所述的波紋膜片橫向穿過傳力桿，且波紋膜片的兩端與殼體剛性連接，傳力桿一端與固定盤連接，另一端與承壓盤中心連接；所述的壓力測量部件包括軸承、鋼絲、測量光柵和光纖，所述的軸承的中心軸穿過殼體壁的一組過孔，所述的光纖的兩端穿過殼體壁上的另一組過孔，測量光柵刻制于光纖上，測量光柵一端與鋼絲連接，另一端固定于光纖引出孔上，所述的鋼絲繞過軸承與固定盤連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述殼體為圓柱腔體，殼體的下端設(shè)有圓盤端蓋，所述的波紋膜片的兩端通過環(huán)形緊固圈與殼體剛性連接，所述的測量光柵一端與鋼絲通過膠體連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述承壓盤中心部分向內(nèi)側(cè)突出，承壓盤的突出部分設(shè)有與傳力桿配合的盲孔螺紋。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述軸承設(shè)有用于放置鋼絲的凹槽，軸承的中心軸固定于殼體上，所述的固定盤中心也有與傳力桿配合的盲孔螺紋，固定盤邊緣開有用于固定鋼絲的凹槽；所述的鋼絲繞過微型軸承粘接在固定盤的凹槽內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述傳力桿兩端直徑小于中部直徑，且兩端均帶有螺紋。
6.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述的波紋膜片圓心設(shè)有過孔，過孔內(nèi)徑與傳力桿螺紋端外徑匹配，且小于傳力桿中部直徑。
7.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述的承壓盤、波紋膜片、固定盤三者同心。
8.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:所述的兩組過孔的中心線相互垂直，且兩組過孔的中心線相對于殼體中心線偏心設(shè)置，所述的軸承是微型軸承。
9.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:還包括環(huán)形緊固圈，所述的環(huán)形緊固圈與外殼螺紋連接，所述的環(huán)形緊固圈與承壓盤之間設(shè)有橡膠密封圈。
10.如權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，其特征在于:還包括溫補(bǔ)光柵，溫補(bǔ)光柵與側(cè)量光柵為同一條光纖上刻制的兩個(gè)光柵，兩光柵相串聯(lián)，所述的溫補(bǔ)光柵兩端連接到固定于殼體側(cè)壁上，溫補(bǔ)光柵呈彎曲狀，且與測量光柵分布在中心軸的兩側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高靈敏度光纖光柵土壓力計(jì)，它包括殼體，殼體一端與圓盤端蓋通過螺紋連接，另一端使用環(huán)形緊固圈與波紋膜片剛性連接；波紋膜片中心插入傳力桿，傳力桿一端連接邊緣有開槽的固定盤，另一端與圓形承壓盤中心螺紋連接；殼體壁有兩組過孔，一組用于插入連接微型軸承的鋼桿，另一組為光纖引出孔；測量光柵與鋼絲通過膠體連接，鋼絲繞過微型軸承與固定盤連接，溫補(bǔ)光柵兩端連接到固定于殼體側(cè)壁的溫補(bǔ)光柵固定座上，溫補(bǔ)光柵與測量光柵串聯(lián)，通過光纖引出孔雙端出纖。它靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，防水性能好，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)分布式監(jiān)測。
文檔編號G01L1/24GK202974524SQ20122063368
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者王正方, 王靜, 隋青美, 王寧, 蔣善超, 楊帥, 路士增, 賈磊, 張法業(yè), 曹玉強(qiáng) 申請人:山東大學(xué)