專利名稱：一種大量程光纖光柵位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位移傳感器，具體地說是一種大量程光纖光柵位移傳感器， 特別適用于高等級(jí)公路軟基沉降監(jiān)測(cè)。
背景技術(shù)：
軟土地基的形變和穩(wěn)定是軟基筑路工程的兩個(gè)關(guān)鍵性的問題，也是軟基處理的主題，它們與土的應(yīng)力、應(yīng)變以及施工時(shí)加荷速率有著密切的關(guān)系。為了確保路基在施工過程中的安全穩(wěn)定及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工后沉降，應(yīng)在工程全線選定具有代表性的特殊斷面和一般斷面進(jìn)行軟基監(jiān)測(cè)，定量測(cè)定地基的應(yīng)力和應(yīng)變系數(shù)，以便動(dòng)態(tài)地控制加載速率，監(jiān)控并指導(dǎo)全線路提填筑的施工，并為控制各類土層的固結(jié)狀況和有效固結(jié)深度積累資料。因此對(duì)軟基進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵性工作。我國(guó)高速公路軟基監(jiān)測(cè)當(dāng)前主要采用埋入式沉降標(biāo)、測(cè)斜儀、孔隙水壓計(jì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是這些監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)化程度及可靠性低、數(shù)據(jù)不及時(shí)、測(cè)量精度低，影響軟基監(jiān)測(cè)的效果和工后沉降的預(yù)測(cè)，不利于信息化施工。自1989年Meltz等人應(yīng)用全息側(cè)寫技術(shù)成功制成光纖光柵以來，光纖光柵由于其優(yōu)異性能，在傳感技術(shù)領(lǐng)域倍受青睞。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射) 濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。采用光纖光柵原理的位移計(jì)稱為光纖光柵位移計(jì)，簡(jiǎn)稱FBG位移計(jì)(FBG是 FiberBragg Grating的縮寫，即光纖布拉格光柵)，F(xiàn)BG位移計(jì)有著監(jiān)測(cè)靈敏度高、能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)軟基沉降等優(yōu)點(diǎn)。但目前其監(jiān)測(cè)的的缺陷在于其監(jiān)測(cè)的量程很有限，國(guó)內(nèi)如北京基康公司所生產(chǎn)的FBG位移計(jì)，量程在20cm以內(nèi)，能滿足橋梁、隧道、大壩等領(lǐng)域的位移監(jiān)測(cè)，而高等級(jí)公路軟基沉降值遠(yuǎn)超出此量程，所以必須開發(fā)適合軟基沉降監(jiān)測(cè)的大量程位移計(jì)來滿足監(jiān)測(cè)要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種應(yīng)用光纖光柵技術(shù)制成的光纖光柵傳感器，本實(shí)用新型的光纖光柵傳感器可以滿足大量程位移監(jiān)測(cè)的要求， 同時(shí)又很好的利用來了光纖光柵在傳感技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)異性能，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中FBG 傳感器監(jiān)測(cè)量程有限這一問題。為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種大量程光纖光柵位移傳感器，包括套筒，位于套筒上方的沉降盤下表面與滑動(dòng)連桿的上端固定連接，滑動(dòng)連桿下端伸入套筒內(nèi)，套筒內(nèi)沿套筒軸線方向依次套裝兩個(gè)以上的FBG傳感器，所述兩個(gè)以上的FBG傳感器外部保護(hù)層的外徑與套筒的內(nèi)徑相匹配，各FBG傳感器之間通過彈簧連接，位于套筒上部的第一 FBG傳感器的外部保護(hù)層與套筒內(nèi)壁緊固，位于第一FBG傳感器下方的各FBG傳感器的外部保護(hù)層與套筒的內(nèi)壁均為滑動(dòng)配合； 第一 FBG傳感器的頂端與滑動(dòng)連桿的下端固定連接，位于套筒下部的第η FBG傳感器的底端通過第η彈簧與剛性測(cè)桿的頂端固定連接，剛性測(cè)桿的底端伸出套筒的底部并與注漿錨頭固定連接，所述滑動(dòng)連桿、各FBG傳感器、各彈簧、剛性測(cè)桿、注漿錨頭與套筒共軸線，所述沉降盤的上下表面與套筒的軸線垂直，各FBG傳感器通過光纜依次串接后與光纖光柵調(diào)解儀連接。所述沉降盤為上下表面均為平面的圓形盤或橢圓形盤或平滑曲線盤。所述沉降盤為直徑大于或等于50cm的圓盤。 所述FBG傳感器通過剛性金屬桿或金屬連接座與彈簧連接。所述各彈簧的量程范圍為20_25cm。所述各FBG傳感器的中心波長(zhǎng)的差值均在Inm以上，各FBG傳感器為同廠家同型號(hào)FBG傳感器。所述剛性測(cè)桿為多截連接桿。所述套筒的內(nèi)壁有潤(rùn)滑涂層。本實(shí)用新型的有益效果在于1、本實(shí)用新型中，由于將監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位移量直接轉(zhuǎn)化于多個(gè)彈簧的伸縮，這可以減少加載到光纖光柵上的應(yīng)變量，從而可以擴(kuò)大光纖光柵位移傳感器的量程監(jiān)測(cè)范圍，對(duì)于軟基表面較大位移的變化，可以準(zhǔn)確的進(jìn)行大量程的測(cè)量，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2、可根據(jù)軟基沉降量的大小，選擇多個(gè)FBG傳感器進(jìn)行串接封裝。3、與常規(guī)的監(jiān)測(cè)方式相比，采用本實(shí)用新型的位移傳感器得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)克服了常規(guī)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)漂移較大的缺陷，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下反復(fù)漂移，誤差數(shù)據(jù)少，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度高。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用本實(shí)用新型進(jìn)行監(jiān)測(cè)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與常規(guī)沉降板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線的比較。圖中，1為套筒，2為沉降盤，3為滑動(dòng)連桿，4為第一 FBG傳感器，5為第η FBG傳感器，6為剛性測(cè)桿，7為注漿錨頭，8為定位銷，9為剛性金屬桿，10為光纜，11為第一彈簧，12 為第η彈簧。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明一種大量程光纖光柵位移傳感器(即為本實(shí)用新型中的各FBG傳感器)，包括套筒 1，位于套筒ι上方的沉降盤2下表面與滑動(dòng)連桿3的上端固定連接，滑動(dòng)連桿3下端伸入套筒1內(nèi)，套筒1內(nèi)沿套筒軸線方向依次套裝兩個(gè)以上的FBG傳感器，所述兩個(gè)以上的FBG 傳感器外部保護(hù)層的外徑與套筒1的內(nèi)徑相匹配，各FBG傳感器之間通過彈簧連接，位于套筒1上部的第一 FBG傳感器4的外部保護(hù)層與套筒內(nèi)壁緊固，本實(shí)施例中，第一 FBG傳感器4的外部保護(hù)層與套筒內(nèi)壁通過定位銷8來緊固，位于第一 FBG傳感器4下方的各FBG傳感器的外部保護(hù)層與套筒1的內(nèi)壁均為滑動(dòng)配合；第一 FBG傳感器4的頂端與滑動(dòng)連桿3 的下端固定連接，位于套筒1下部的第η FBG傳感器5的底端通過第η彈簧12與剛性測(cè)桿 6的頂端固定連接，剛性測(cè)桿6的底端伸出套筒1的底部并與注漿錨頭7固定連接，所述滑動(dòng)連桿3、各FBG傳感器、各彈簧、剛性測(cè)桿6、注漿錨頭7與套筒1共軸線，所述沉降盤2的上下表面與套筒1的軸線垂直，各FBG傳感器通過光纜10依次串接后與光纖光柵調(diào)解儀連接。沉降盤2為上下表面均為平面的圓形盤或橢圓形盤或平滑曲線盤，設(shè)置沉降盤2 的目的主要是保證第一 FBG傳感器4的上端能和軟基表面共同下沉。實(shí)踐中，優(yōu)選采用直徑大于等于50cm的圓形盤，保證第一 FBG傳感器4的上端能和軟基表面共同下沉的同時(shí)，使得沉降過程中的阻力最小，即外界的干擾最小，傳感器測(cè)的數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。各FBG傳感器通過剛性金屬桿9或金屬連接座與彈簧連接，由于各個(gè)FBG傳感器與彈簧均有彈性，通過剛性金屬桿或者金屬連接座進(jìn)行力的傳遞更有利于力的傳遞的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。優(yōu)選的，各彈簧的彈性系數(shù)相等，或者相差不大，各彈簧的量程范圍為20-25cm可滿足要求。這樣，我們選擇的各彈簧為同廠、同型號(hào)的彈簧，其量程和彈性系數(shù)均相等，此時(shí)的效果最好；各彈簧量程不相等時(shí)，選擇各自的量程范圍為20-25cm，可保證彈性系數(shù)相差不大。第一 FBG傳感器4至第η FBG傳感器5中各傳感器的中心波長(zhǎng)的差值均在Inm以上。各FBG傳感器的彈性系數(shù)相等，或者相差不大，這樣，我們選擇的各FBG傳感器為同廠、 同型號(hào)的FBG傳感器，可以保證彈性系數(shù)基本相等。剛性測(cè)桿6為為分截的多截連接桿，每截桿的連接處均有相匹配的螺紋可以不斷接長(zhǎng)，適合不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境需要。套筒1的內(nèi)壁涂有潤(rùn)滑劑，如可以采用黃油或機(jī)油潤(rùn)滑，減小滑動(dòng)的摩擦阻力，增加監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用本實(shí)用新型的大量程光纖光柵位移傳感器進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)的原理如下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)埋設(shè)時(shí)，通過鉆孔將注漿錨頭7埋入到相對(duì)穩(wěn)定的地層中的指定標(biāo)高， 并壓注適量的水泥漿將其與周圍土體固結(jié)，注漿錨頭7的上端通過剛性測(cè)桿6與傳感器相連，剛性測(cè)桿6可以伸縮或者接長(zhǎng)，沉降盤2埋設(shè)于待檢測(cè)土層，沉降盤的上表面與待檢測(cè)土層的上表面水平；當(dāng)軟基施工加載后，產(chǎn)生壓縮變形，沉降盤2發(fā)生下沉，彈簧隨之發(fā)生變形，并帶動(dòng)光纖光柵一起發(fā)生形變，引起光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生變化，沉降量可以通過讀取各個(gè)光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)量之和獲得。本實(shí)施例采用三個(gè)FBG傳感器，自上而下的三個(gè)FBG傳感器分別定義為第一 FBG 傳感器4、第二 FBG傳感器(圖中未示出)、第三FBG傳感器5 (此時(shí)η = 3，第nFBG傳感器即為第三FBG傳感器)，各自的彈性系數(shù)依次分別為定義Kp K2, K3,第二 FBG傳感器和第三 FBG傳感器均能在套筒1內(nèi)滑動(dòng)，[0037]自上而下的三根彈簧分別為第一彈簧11，第二彈簧(圖中未示出)，第三彈簧 12 (此時(shí)η = 3，第η彈簧即為第三彈簧)，三者的彈性系數(shù)依次分別定義為K4、K5、K6，外界軟基沉降發(fā)生量定義為L(zhǎng)，即沉降盤2發(fā)生的沉降量為L(zhǎng)，則L = U+U+U ①式①中，L1, L2, L3分別為第一 FBG傳感器、第二 FBG傳感器、第三FBG傳感器所監(jiān)測(cè)的位移量。其中
權(quán)利要求1.一種大量程光纖光柵位移傳感器，包括套筒(1)，其特征在于位于套筒(1)上方的沉降盤( 下表面與滑動(dòng)連桿(3)的上端固定連接，滑動(dòng)連桿C3)下端伸入套筒(1)內(nèi)，套筒(1)內(nèi)沿套筒軸線方向依次套裝兩個(gè)以上的FBG傳感器，所述兩個(gè)以上的FBG傳感器外部保護(hù)層的外徑與套筒(1)的內(nèi)徑相匹配，各FBG傳感器之間通過彈簧連接，位于套筒(1) 上部的第一 FBG傳感器的外部保護(hù)層與套筒內(nèi)壁緊固，位于第一 FBG傳感器(4)下方的各FBG傳感器的外部保護(hù)層與套筒(1)的內(nèi)壁均為滑動(dòng)配合；第一 FBG傳感器(4)的頂端與滑動(dòng)連桿(3)的下端固定連接，位于套筒(1)下部的第η FBG傳感器(5)的底端通過第η彈簧(12)與剛性測(cè)桿(6)的頂端固定連接，剛性測(cè)桿(6)的底端伸出套筒(1)的底部并與注漿錨頭(7)固定連接，所述滑動(dòng)連桿(3)、各FBG傳感器、各彈簧、剛性測(cè)桿(6)、注漿錨頭(7)與套筒(1)共軸線，所述沉降盤O)的上下表面與套筒(1)的軸線垂直，各FBG傳感器通過光纜(10)依次串接后與光纖光柵調(diào)解儀連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述沉降盤 (2)為上下表面均為平面的圓形盤或橢圓形盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述沉降盤 (2)為直徑大于或等于50cm的圓盤。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述FBG傳感器通過剛性金屬桿(9)或金屬連接座與彈簧連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述各彈簧的量程范圍為20-25cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大量程光線光柵位移傳感器，其特征在于所述各FBG 傳感器的中心波長(zhǎng)的差值均在Inm以上，各FBG傳感器為同廠家同型號(hào)FBG傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于 所述剛性測(cè)桿(6)為多截連接桿。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大量程光纖光柵位移傳感器，其特征在于所述套筒(1) 的內(nèi)壁有潤(rùn)滑涂層。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種大量程光纖光柵位移傳感器，包括套筒，位于套筒上方的沉降盤下表面與滑動(dòng)連桿固定連接，滑動(dòng)連桿下端伸入套筒內(nèi)，套筒內(nèi)沿套筒軸線方向依次套裝兩個(gè)以上的FBG傳感器，各FBG傳感器之間通過彈簧連接，位于套筒最上方的傳感器頂端與滑動(dòng)連桿的下端固定連接，位于套筒最下方的傳感器的底端通過彈簧與剛性測(cè)桿固定連接，剛性測(cè)桿的底端伸出套筒的底部與注漿錨頭固定連接，各FBG傳感器通過光纜依次串接后與光纖光柵調(diào)解儀連接。本實(shí)用新型準(zhǔn)確的進(jìn)行大量程的測(cè)量，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。可根據(jù)軟基沉降量的大小，選擇多個(gè)FBG傳感器進(jìn)行串接，誤差數(shù)據(jù)少，監(jiān)測(cè)精度高。
文檔編號(hào)G01B11/02GK201955064SQ20102061820
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者萬寶安, 劉優(yōu)平, 周院芳, 常星宇, 張鴻, 汪曉紅, 熊茂東, 郭玉田, 黎劍華 申請(qǐng)人:劉優(yōu)平, 張鴻, 黎劍華