一種測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器
專利匯可以提供一種測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且一種測(cè)量三向壓 力 的光纖布拉格光柵 傳感器 ，屬于 土木工程 測(cè)試儀器領(lǐng)域。本實(shí)用新型外形為立方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由三面 正交 的正方形金屬隔板分隔為壓力測(cè)量 工作腔 室C1和集線腔室C2；在壓力測(cè)量工作腔室C1內(nèi)，金屬隔板上設(shè)置有三個(gè)物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)相同的測(cè)壓FBG(光纖布拉格光柵)，同時(shí)還裝有一個(gè) 溫度 補(bǔ)償FBG。當(dāng)壓力作用于工作膜片上時(shí)，工作膜片撓曲 變形 后將壓力傳遞給傳力桿。傳力桿產(chǎn)生向下的位移，從而使測(cè)壓FBG產(chǎn)生拉應(yīng)變。當(dāng)一束寬頻 光源 通過測(cè)壓FBG時(shí)，測(cè)壓FBG只反射入射光中滿足布拉格衍射的光，通過測(cè)量光纖光柵響應(yīng) 波長(zhǎng) 的移動(dòng)來測(cè)量外界壓力的大小。本實(shí)用新型可用于同時(shí) 測(cè)量傳感器 埋設(shè)處巖土體或構(gòu)筑物三個(gè)正交方向的 應(yīng)力 狀態(tài)，適用于公路、建筑、礦業(yè)等部 門 。本實(shí)用新型加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。，下面是一種測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器，包括測(cè)壓光纖布拉格光柵FBG(1)、溫度補(bǔ)償FBG(2)、傳力桿(3)、工作膜片(4)、光纖(5)、杠桿支架(6)、杠桿(7)、非工作膜片(8)、頂板(9)、測(cè)壓FBG緊固件(10)、光纖支架(11)、溫度補(bǔ)償FBG緊固件(12)、金屬隔板(21)，其特征在于：
1)外形為立方體結(jié)構(gòu)，由三個(gè)工作膜片(4)和三個(gè)非工作膜片(8)構(gòu)成，內(nèi)部由三面正交的正方形金屬隔板(21)分隔為壓力測(cè)量工作腔室C1和集線腔室C2；
2)在壓力測(cè)量工作腔室C1內(nèi)，金屬隔板(21)上設(shè)置有三個(gè)物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)相同的測(cè)壓光纖布拉格光柵FBG(1)，同時(shí)測(cè)量三個(gè)正交方向壓力；
3)頂板(9)為圓盤形或正方形，形心與工作膜片(4)中心對(duì)齊，傳力桿(3)垂直于頂板(9)表面，并與頂板(9)形心對(duì)齊；
4)杠桿(7)固定在杠桿支架(6)上，杠桿(7)的一端與傳力桿(3)相接觸，另一端與測(cè)壓FBG(1)連結(jié)，測(cè)壓FBG(1)一端由測(cè)壓FBG緊固件(10)夾緊，另一端由杠桿(7)上的緊固件夾緊，測(cè)壓FBG(1)沿金屬隔板(21)對(duì)角線布置。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于：所述金屬隔板(21)上還安裝一個(gè)溫度補(bǔ)償FBG(2)。
3.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器，其特征在于：壓力測(cè)量工作腔室C1內(nèi)的三個(gè)測(cè)壓FBG(1)和溫度補(bǔ)償FBG(2)用同一條光纖(5)連結(jié)，引入到集線腔室C2內(nèi)。
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型屬于土木工程測(cè)試儀器領(lǐng)域，涉及測(cè)量三個(gè)相互垂直方向上的外部壓力的大小。
背景技術(shù)
光纖布拉格光柵傳感器除具有普通光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①傳感信號(hào)是波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光強(qiáng)波動(dòng)及儀器電磁場(chǎng)的影響；②具有自參考點(diǎn)，測(cè)量的是絕對(duì)值；③更容易采用波分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；④光柵直接寫入纖芯，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和插入損耗低，易于實(shí)現(xiàn)一維光子集成。
光纖布拉格光柵傳感器設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，能夠滿足一定的工程測(cè)量需要。但是也有如下不足之處：
1)由于這類傳感器只有一個(gè)光纖布拉格光柵，只能測(cè)出單個(gè)方向的壓力，無法同時(shí)測(cè)定地層或結(jié)構(gòu)物中觀測(cè)點(diǎn)其它方向的壓力值，即無法得到觀測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。
2)當(dāng)測(cè)量巖土體壓力時(shí)，這類壓力傳感器只有水平放置時(shí)才能準(zhǔn)確測(cè)量巖土體的位移和應(yīng)力。當(dāng)埋設(shè)在巖土層中的土壓力傳感器由于外界因素產(chǎn)生傾斜時(shí)，將不能準(zhǔn)確測(cè)定巖土體需測(cè)方位的位移和應(yīng)力。
3)此類傳感器在非填土狀態(tài)下埋設(shè)時(shí)，比如采用鉆孔方式埋設(shè)時(shí)，無論是水平、垂直或傾斜鉆孔，準(zhǔn)確地把傳感器水平放置在鉆孔中將十分困難，導(dǎo)致測(cè)量巖土體的位移和應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生較大誤差。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有光纖布拉格光柵傳感器的不足，根據(jù)布拉格衍射原理設(shè)計(jì)出能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)相互垂直方向上外部壓力大小的傳感器，并且加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。
本實(shí)用新型可同步測(cè)量三個(gè)正交方向壓力的光纖布拉格光柵傳感器，其主要特征在于：
1)外形為立方體結(jié)構(gòu)，由三個(gè)工作膜片4和三個(gè)非工作膜片8構(gòu)成，內(nèi)部由三面正交的正方形金屬隔板21分隔為壓力測(cè)量工作腔室C1和集線腔室C2。
2)在壓力測(cè)量工作腔室C1內(nèi)，金屬隔板21上設(shè)置有三個(gè)物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)相同的測(cè)壓光纖布拉格光柵FBG?1，可同時(shí)測(cè)量三個(gè)正交方向壓力。
3)頂板9為圓盤形或正方形，形心與工作膜片4中心對(duì)齊。傳力桿3垂直于頂板9表面，并與頂板9形心對(duì)齊。
4)杠桿7固定在杠桿支架6上，杠桿7的一端與傳力桿3相接觸，另一端與測(cè)壓FBG?1連結(jié)。測(cè)壓FBG?1一端由測(cè)壓FBG緊固件10夾緊，另一端由杠桿7上的緊固件夾緊。FBG光纖布拉格光柵沿金屬隔板21對(duì)角線布置。
5)由于環(huán)境溫度會(huì)對(duì)測(cè)壓FBG?1的測(cè)量結(jié)果造成誤差，在金屬隔板21上安裝一個(gè)溫度補(bǔ)償FBG?2，其只感受溫度的變化，可單獨(dú)測(cè)量出溫度的變化，從而可以分離出壓力引起測(cè)壓FBG?1的變化量。
6)壓力測(cè)量工作腔室內(nèi)C1的三個(gè)測(cè)壓FBG?1和溫度補(bǔ)償FBG?2用光纖引入到集線腔室C2內(nèi)，進(jìn)行光纖的走線布置。
當(dāng)工作膜片受壓力作用時(shí)，帶動(dòng)頂板、傳力桿和杠桿的一端產(chǎn)生向下的位移，導(dǎo)致杠桿的另一端產(chǎn)生向上的位移，從而使測(cè)壓FBG產(chǎn)生拉應(yīng)變。當(dāng)一束寬頻光源通過測(cè)壓FBG時(shí)，測(cè)壓FBG只反射入射光中滿足布拉格衍射的光，即光纖光柵響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)受光柵周期的變化和折射率改變的影響，通過測(cè)量光纖光柵響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)來測(cè)量外界壓力的大小。
由于傳感器內(nèi)部測(cè)量元件采用的是光纖，其抗電磁、抗腐蝕能力強(qiáng)，可適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。壓力測(cè)量工作腔室C1內(nèi)的測(cè)壓FBG和溫度補(bǔ)償FBG用一根光纖連結(jié)，因此，可以采用復(fù)用技術(shù)，對(duì)每個(gè)光柵實(shí)行波長(zhǎng)編碼，這樣，就可將多個(gè)FBG串接起來，實(shí)現(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場(chǎng)的測(cè)量，從而減少光纖的使用，顯著降低系統(tǒng)成本。
本發(fā)明可測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器中設(shè)置有三個(gè)FBG(布拉格光柵)，可同時(shí)測(cè)出三個(gè)正交方向的外部壓力，其基本原理是在光纖核心中設(shè)置一段縱向折射率周期性變化排列的光柵，其間周期性折射率改變的光柵間距以Λ表示，一般常使用如發(fā)光二極管、冷光二極管、半導(dǎo)體激光產(chǎn)生的寬頻光源注入光纖中，當(dāng)其經(jīng)過光柵時(shí)，只有波長(zhǎng)為λB的光會(huì)被反射回來(圖5)所示，
λB＝2nΛ????(1)
式中，n為光纖纖芯的有效折射率。
當(dāng)光柵受到外力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，造成原間距為Λ的改變?cè)隽繛棣う胧?1)中可以得到
ΔλB＝2nΔΛ????(2)
根據(jù)應(yīng)變的定義，有
得到
因此，Λ為折射率周期性改變的間距，有
FBG傳感器與傳統(tǒng)的電阻量測(cè)器最大的不同點(diǎn)，在于光柵的多工特性，并不受限于傳統(tǒng)電子回路一對(duì)一信號(hào)傳輸要求，只要在光柵制作時(shí)安排不同波長(zhǎng)的光柵作用于同一光纖上，利用足夠強(qiáng)度的寬頻光源，就可以在同一時(shí)間內(nèi)一次測(cè)量數(shù)點(diǎn)的應(yīng)變應(yīng)力信號(hào)。若以傳統(tǒng)的電路排列，需要安置數(shù)條電線，且電線之間彼此因?yàn)殡姶判?yīng)會(huì)相互干擾，產(chǎn)生噪音信號(hào)，影響量測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。FBG傳感器不但只需要一至兩條光纖即可，不占空間，而且由于沒有電磁干擾問題，只要光源足夠就可大量串接，可保持較高的精度。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于能夠同時(shí)獨(dú)立測(cè)量作用在工作膜片上的三個(gè)相互垂直方向上的外部壓力。當(dāng)該傳感器應(yīng)用于測(cè)量土層中的壓力時(shí)，可以不受傳感器位置的影響，測(cè)量出土層中觀測(cè)點(diǎn)位置作用于傳感器表面三個(gè)垂直方向上的正應(yīng)力，從而了解觀測(cè)點(diǎn)處巖土體或結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力狀態(tài)。
附圖說明
圖1是三向FBG傳感器內(nèi)部構(gòu)造三維圖。
圖2是三向FBG傳感器集線腔室內(nèi)部光纖連接圖，包括內(nèi)部光纖始端13、內(nèi)部光纖終端14。
圖3是三向FBG傳感器內(nèi)部構(gòu)造正視圖。
圖4是三向FBG傳感器工作膜片構(gòu)造圖。
圖5是FBG構(gòu)造圖。
圖中：1-測(cè)壓FBG(光纖布拉格光柵)、2-溫度補(bǔ)償FBG、3-傳力桿、4-工作膜片、5-光纖、6-杠桿支架、7-杠桿、8-非工作膜片、9-頂板、10-測(cè)壓FBG緊固件、11-光纖支架、12-溫度補(bǔ)償FBG緊固件、13-內(nèi)部光纖始端、14-內(nèi)部光纖終端、15入射光、16反射光、17全息埋入光柵、18保護(hù)層、19光柵間距、21金屬隔板。
具體實(shí)施方式
圖1為一種可測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器內(nèi)部構(gòu)造三維圖，金屬隔板將傳感器內(nèi)部分隔為壓力測(cè)量工作腔室C1和集線腔室C2，傳感器由三個(gè)測(cè)壓FBG和一個(gè)溫度補(bǔ)償FBG組成。
圖2為三向FBG傳感器集線腔室C2光纖走線圖。三向FBG傳感器中，三個(gè)測(cè)壓FBG和一個(gè)溫度補(bǔ)償FBG均用一條光纖連接。光纖從外部被引入集線腔室C2中，如圖2內(nèi)部光纖始端13。光纖首先串聯(lián)溫度補(bǔ)償FBG，然后再依次串聯(lián)三個(gè)測(cè)壓FBG，最后再引出集線腔室C2，如圖2內(nèi)部光纖終端14。
圖3為內(nèi)部構(gòu)造正視圖，測(cè)壓工作腔室C1的金屬隔板上安裝有三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)相同的測(cè)壓FBG。在測(cè)量時(shí)，立方體工作膜片4與需要測(cè)量的壓力直接接觸。工作膜片4受壓力作用發(fā)生撓曲變形，并將壓力傳遞給傳力桿3。因傳力桿3與杠桿7的一端接觸，當(dāng)傳力桿3受壓力作用產(chǎn)生向下的位移，便引起杠桿7的另一端產(chǎn)生向上的位移，從而使測(cè)壓FBG?1產(chǎn)生拉應(yīng)變。當(dāng)一束寬頻光源通過測(cè)壓FBG?1時(shí)，測(cè)壓FBG?1只反射入射光中滿足布拉格衍射的光，即光纖光柵響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)受光柵周期的變化和折射率的改變的影響，通過測(cè)量光纖光柵響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)來測(cè)量外界壓力的大小。當(dāng)傳感器內(nèi)部設(shè)置有三個(gè)FBG，并按圖2進(jìn)行布置，便可滿足同時(shí)測(cè)量三個(gè)正交方向壓力的目的。
圖4為工作膜片構(gòu)造圖，表明工作膜片4、頂板9、傳力桿3之間的相對(duì)位置關(guān)系。頂板9為圓盤形，形心與工作膜片4中心對(duì)齊。傳力桿3垂直于頂板9表面，并與頂板9形心對(duì)齊。當(dāng)外部壓力作用于工作膜片4時(shí)，工作膜片4產(chǎn)生向內(nèi)的變形，其中心處的變形量均勻地傳遞給頂板9，進(jìn)而通過傳力桿3將變形量傳遞給杠桿7。
圖5為FBG構(gòu)造圖，說明FBG(光纖布拉格光柵)的工作原理。當(dāng)一束寬頻光源通過FBG時(shí)，全息埋入光柵17只反射入射光15中滿足布拉格衍射的光。當(dāng)外界壓力、溫度等因素引起的變形，導(dǎo)致全息埋入光柵17的光柵間距19發(fā)生變化，便造成全息埋入光柵17響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)。通過測(cè)量響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng)來測(cè)量外界壓力或溫度的大小。
在一種可測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器的制造過程中，首先在金屬隔板21上安裝三個(gè)測(cè)壓FBG(光纖布拉格光柵)。根據(jù)金屬隔板上光纖5的通過位置先打上小孔，然后將杠桿支架6、光纖支架11和測(cè)壓FBG緊固件10通過焊接或螺栓連接安裝在金屬隔板上。杠桿支架6上的杠桿7事先已安裝好。最后再放置帶有測(cè)壓FBG?1的光纖5。當(dāng)金屬隔板上的三個(gè)FBG都安裝好后，再安裝溫度補(bǔ)償FBG?2。安裝溫度補(bǔ)償FBG?2時(shí)，先安裝溫度補(bǔ)償FBG緊固件12，然后放置帶有溫度補(bǔ)償FBG2的光纖。
帶有三個(gè)測(cè)壓FBG的金屬隔板制作好后，將其與三塊非工作膜片8焊接在一起。另外三塊帶有頂板9和傳力桿3的工作膜片4事先制作好。最后，通過焊接或螺栓將其合并為一個(gè)整體。
制作好的可測(cè)量三向壓力的光纖布拉格光柵傳感器用于同時(shí)測(cè)量傳感器埋設(shè)處的巖土體或結(jié)構(gòu)物三個(gè)正交方向的應(yīng)力狀態(tài)，適用于公路、建筑、礦業(yè)等部門。本實(shí)用新型加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。
| 標(biāo)題 | 發(fā)布/更新時(shí)間 | 閱讀量 |
|---|---|---|
| 一種土木工程排積水裝置 | 2020-05-08 | 986 |
| 一種土木工程建筑抗震結(jié)構(gòu) | 2020-05-08 | 425 |
| 一種土木工程用施工安全宣傳裝置 | 2020-05-11 | 991 |
| 一種土木工程用高效鋼筋切斷裝置 | 2020-05-12 | 408 |
| 一種土地利用格局演替仿真裝置 | 2020-05-13 | 406 |
| 一種土木工程用護(hù)坡結(jié)構(gòu) | 2020-05-13 | 261 |
| 一種抗震型土木工程加強(qiáng)結(jié)構(gòu) | 2020-05-11 | 270 |
| 一種土木工程用保護(hù)淺埋管線的道路結(jié)構(gòu) | 2020-05-14 | 228 |
| 一種土木工程結(jié)構(gòu)的減震裝置 | 2020-05-08 | 35 |
| 一種土木工程用測(cè)量裝置 | 2020-05-13 | 330 |
高效檢索全球?qū)＠?/div>專利匯是專利免費(fèi)檢索,專利查詢,專利分析-國(guó)家發(fā)明專利查詢檢索分析平臺(tái)，是提供專利分析，專利查詢，專利檢索等數(shù)據(jù)服務(wù)功能的知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)服務(wù)商。
我們的產(chǎn)品包含105個(gè)國(guó)家的1.26億組數(shù)據(jù)，免費(fèi)查、免費(fèi)專利分析。
分析報(bào)告專利匯分析報(bào)告產(chǎn)品可以對(duì)行業(yè)情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分析，涉及維度包括行業(yè)專利基本狀況分析、地域分析、技術(shù)分析、發(fā)明人分析、申請(qǐng)人分析、專利權(quán)人分析、失效分析、核心專利分析、法律分析、研發(fā)重點(diǎn)分析、企業(yè)專利處境分析、技術(shù)處境分析、專利壽命分析、企業(yè)定位分析、引證分析等超過60個(gè)分析角度，系統(tǒng)通過AI智能系統(tǒng)對(duì)圖表進(jìn)行解讀，只需1分鐘，一鍵生成行業(yè)專利分析報(bào)告。
