本發(fā)明涉及一種路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器，屬于位移傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

掌握真實(shí)的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)情況是極為重要的，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測(cè)量范圍廣、便于復(fù)用成網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程、航空航天、石油化工、電力、醫(yī)療、船舶工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)光纖光柵所受的外力發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵自身的應(yīng)變分布隨之變化，從而引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化；通過(guò)光纖光柵解調(diào)設(shè)備，可以將中心波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)換為光功率的變化，通過(guò)檢測(cè)光功率的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的檢測(cè)。

在一些長(zhǎng)縱坡、公交路口路段特別在夏季高溫條件和重載車輛的作用下，路面結(jié)構(gòu)常常產(chǎn)生層間位移的病害，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)5、6厘米，這無(wú)疑嚴(yán)重的影響了道路的使用壽命。然而，現(xiàn)有的光纖光柵位移傳感器往往只能實(shí)現(xiàn)單一方向的位移測(cè)量，隨著傳感器被埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其測(cè)量方向也隨之固定，且在周圍路面材料的包裹下難以活動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。因此，研制一種可測(cè)量路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間相對(duì)水平位移量的傳感器，是該領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器，包括：頂蓋、中心柱、底板、固定環(huán)、硅膠墊、固定板、等強(qiáng)度梁、光纖光柵和玻璃片，所述底板的下部設(shè)有固定板槽，固定板設(shè)置在底板下部的固定板槽內(nèi)，底板的上部設(shè)有滑槽，滑槽內(nèi)設(shè)有玻璃片，硅膠墊設(shè)置在底板下部的固定板上，固定環(huán)設(shè)置在硅膠墊內(nèi)的固定板上，頂蓋設(shè)置在底板的頂部，底板上設(shè)有等強(qiáng)度梁，光纖光柵固定在等強(qiáng)度梁上，中心柱的上端與頂蓋相連接，中心柱的下端與固定環(huán)相連接。所述的光纖光柵由膠水粘貼在等強(qiáng)度梁上，所述的光纖光柵為四根，分別粘貼在等強(qiáng)度梁的四個(gè)方向上。

本發(fā)明的有益效果：

1、傳感器所測(cè)位移值為層間位移值，滿足了道路工程領(lǐng)域?qū)娱g位移監(jiān)測(cè)的需求。

2、本發(fā)明所提供的光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器，共設(shè)置有四個(gè)方向的光纖光柵，其互相間可以用于進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)際測(cè)量時(shí)根據(jù)補(bǔ)償光纖光柵的波長(zhǎng)值消除由于溫度變化引起的傳感器波長(zhǎng)漂移，提高了測(cè)量精度。

3、除了可以測(cè)量位移值的大小外，還可以精確的測(cè)量層間位移發(fā)生的方向。

4、可串聯(lián)多個(gè)傳感器進(jìn)行準(zhǔn)分布式測(cè)量，測(cè)點(diǎn)可任意分配。

5、由于傳感器對(duì)測(cè)試方向沒(méi)有要求，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

6、抗電磁干擾性能好，一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響

7、點(diǎn)絕緣性能好、適用范圍廣，安全可靠，光線本身是有電解質(zhì)構(gòu)成的，而且無(wú)需電源驅(qū)動(dòng)。

8、可遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)；光纖傳輸損耗小，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器的結(jié)構(gòu)分解示意圖。

圖2為本發(fā)明路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖中的附圖標(biāo)記，1為頂蓋，2為中心柱，3為底板，4為固定環(huán)，5為硅膠墊，6為固定板，7為等強(qiáng)度梁，8為滑槽，9為光纖光柵，10為玻璃片，11為固定板槽，12為孔。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例所涉及的一種路用光纖光柵層間相對(duì)水平位移傳感器，包括：頂蓋1、中心柱2、底板3、固定環(huán)4、硅膠墊5、固定板6、等強(qiáng)度梁7、光纖光柵9和玻璃片10，所述底板3的下部設(shè)有固定板槽11，固定板6設(shè)置在底板3下部的固定板槽11內(nèi)，底板3的上部設(shè)有滑槽8，滑槽8內(nèi)設(shè)有玻璃片10，硅膠墊5設(shè)置在底板3下部的固定板6上，固定環(huán)4設(shè)置在硅膠墊5內(nèi)的固定板6上，頂蓋1設(shè)置在底板3的頂部，底板3上設(shè)有等強(qiáng)度梁7，光纖光柵9固定在等強(qiáng)度梁7上，中心柱2的上端與頂蓋1相連接，中心柱2的下端與固定環(huán)4相連接。

所述頂蓋1為中間帶孔12的長(zhǎng)方體，孔12的大小與中心柱2頂端的尺寸相符，從而使兩者可以連接緊密。頂蓋1的尺寸可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)需求進(jìn)行調(diào)整，例如針對(duì)一些層間滑移病害嚴(yán)重的路段，可選用較大尺寸的頂蓋，以滿足大量程測(cè)試的需求，反之亦然。此外，頂蓋的材料也可根據(jù)所測(cè)結(jié)構(gòu)的模量，內(nèi)部應(yīng)力水平等因素而選擇，例如當(dāng)傳感器埋設(shè)較淺，車輛荷載較大而導(dǎo)致傳感器所在處的應(yīng)力較大時(shí)，可選用高模量、大厚度的頂蓋進(jìn)行封裝，反之亦然。如若考慮協(xié)調(diào)變形的影響，則根據(jù)不同的路面結(jié)構(gòu)類型，可選用不同模量的頂蓋材料進(jìn)行傳感器的制作，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。

中心柱2為中間帶有四個(gè)方向小孔的立方體，其中上半部分與頂蓋1相連，下半部分與固定環(huán)4相連，以保持頂蓋與底板的相互位置，并使其在水平方向可以自由活動(dòng)。固定環(huán)與中心柱之間夾持有等強(qiáng)度梁，在傳感器制作完成后，等強(qiáng)度梁7、中心柱2、頂蓋1、固定環(huán)4四者間為固定不可活動(dòng)的結(jié)構(gòu)，即頂蓋與底板產(chǎn)生相對(duì)位移后，頂蓋會(huì)連帶中心柱及等強(qiáng)度梁在底板上的滑槽進(jìn)行滑動(dòng)。此外，中心柱中間部分設(shè)有四個(gè)方向的弧形圓孔，可以將粘貼在等強(qiáng)度梁上的四根光纖光柵從圓孔導(dǎo)出，圓孔的直徑可根據(jù)光纖的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

所述的光纖光柵9由膠水粘貼在等強(qiáng)度梁7上，所述的光纖光柵9為四根，分別粘貼在等強(qiáng)度梁7的四個(gè)方向上。用以將頂蓋與底板間的相對(duì)位移轉(zhuǎn)化為等強(qiáng)度梁的波長(zhǎng)改變，繼而計(jì)算出所測(cè)方向?qū)嶋H發(fā)生的位移大小，將四個(gè)方向的位移量進(jìn)行矢量疊加，即可得到位移的方向和最終的總位移大小。

底板為方形結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有圓孔，圓孔直徑小于固定環(huán)的直徑，以免固定環(huán)從圓孔中脫出使頂蓋與底板發(fā)生分離。底板中間設(shè)有滑槽，可供等強(qiáng)度梁在其上進(jìn)行滑動(dòng)，根據(jù)等強(qiáng)度梁的材料不同，滑槽可選用不同硬度的材料，或在滑槽表面粘貼一層硬質(zhì)材料，本實(shí)施例中由于等強(qiáng)度梁硬度較高，而選擇在滑槽表面粘貼了薄玻璃片，以免等強(qiáng)度梁的尖端劃傷滑槽，同時(shí)也可以減小兩者間的摩擦阻力。需要注意的是，在滑槽上粘貼玻璃片的目的是減小等強(qiáng)度梁與滑槽間的摩擦力，這也可以通過(guò)其他方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)等強(qiáng)度梁頂端進(jìn)行光滑處理或采用其他材料，其本質(zhì)與本實(shí)例并無(wú)顯著差別。

等強(qiáng)度梁共有四個(gè)方向，中間設(shè)有方形孔以便與中心柱及固定環(huán)固定，并且使三者間不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。本實(shí)施例中的等強(qiáng)度梁截面形式為矩形，厚度不變，梁的寬度線性增大?？紤]到耐久性的需求，等強(qiáng)度梁的材質(zhì)通常應(yīng)選用韌性較好的材質(zhì)，本實(shí)施例中采用的是彈簧鋼，在實(shí)施過(guò)程中，也可以選用其他材料。應(yīng)當(dāng)指出的是，采用等強(qiáng)度梁的最終目的是使懸臂梁上各點(diǎn)的應(yīng)變相等，而本實(shí)施例中的等腰三角形梁只是等強(qiáng)度梁的一種形式，對(duì)于本領(lǐng)域的研究人員而言，也可以設(shè)計(jì)出其他形式的等強(qiáng)度梁，這與本實(shí)例并無(wú)本質(zhì)差別。

固定環(huán)為圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，中間設(shè)有方孔，可以與中心柱底部相連，以固定等強(qiáng)度梁。其直徑應(yīng)大于底板上圓孔的直徑，同時(shí)與底板底部邊緣的距離應(yīng)大于傳感器的量程。硅膠墊位于固定環(huán)與底板之間，目的是限制底板與頂蓋之間的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在位移產(chǎn)生后可以使傳感器回復(fù)原位。需要指出的是，硅膠墊也可由其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，例如其他材質(zhì)的軟墊，甚至是沿徑向分布的若干彈簧，都可以實(shí)現(xiàn)類似的效果，其本質(zhì)與本實(shí)施例并無(wú)顯著差別。

在具體的實(shí)施過(guò)程中，可首先打磨等強(qiáng)度梁，由于定制的等強(qiáng)度梁邊角不夠光滑，導(dǎo)致其在滑槽上滑動(dòng)時(shí)十分困難，因此需要對(duì)等強(qiáng)度梁的邊角進(jìn)行初步打磨，以減小其滑動(dòng)時(shí)的阻力。

之后在滑槽上粘貼玻璃片。由于等強(qiáng)度梁使用彈簧鋼制作，其硬度明顯高于滑槽，而由于傳感器的工作原理，等強(qiáng)度梁需要長(zhǎng)期反復(fù)在滑槽上滑動(dòng)，因此需要在滑槽上粘貼硬度更高的材料來(lái)避免滑槽在長(zhǎng)期滑動(dòng)摩擦下產(chǎn)生劃痕，從而造成傳感器測(cè)試結(jié)果的失真。此處選用的材料為玻璃片10，玻璃片10的厚度為0.02mm，利用玻璃刀將其切割成制定尺寸，再粘貼在滑槽上。

待結(jié)構(gòu)膠固化后，可將光纖光柵從中心柱穿出，并粘貼在等強(qiáng)度梁上。粘貼時(shí)要注意粘貼厚度應(yīng)保持均勻，避免對(duì)原有等強(qiáng)度梁造成過(guò)大的結(jié)構(gòu)改變。同時(shí)要注意盡量避免光纖光柵處的封裝膠出現(xiàn)氣泡，否則易造成傳感器的多峰現(xiàn)象。

在光纖光柵封裝完成后，可將頂蓋與底板組裝在一起，在下方利用固定環(huán)使兩部分結(jié)合，從而限制頂蓋與底板間只能做橫向運(yùn)動(dòng)；之后再底板與固定環(huán)之間加裝硅膠環(huán)，這一方面可以防止頂蓋與底板之間的旋轉(zhuǎn)，一方面可以幫助傳感器在產(chǎn)生位移后自行到中心位置。

最后，對(duì)裸光纖進(jìn)行封裝，以提高其在惡劣情況下的耐久性，同時(shí)利用光纖熔接機(jī)連接光纖接頭，以便于傳感器與解調(diào)儀的連接。對(duì)傳感器進(jìn)行初步標(biāo)定，針對(duì)本實(shí)例而言，標(biāo)定結(jié)果顯示傳感器的線性回歸系數(shù)達(dá)到0.9889，線性度良好。

本發(fā)明的基本原理為：頂蓋與底板分別位于上層結(jié)構(gòu)底部與下層結(jié)構(gòu)頂部，一旦路面結(jié)構(gòu)層間發(fā)生了位移，會(huì)造成傳感器頂蓋與底板間的相對(duì)滑動(dòng)，使固定在頂板上的等強(qiáng)度梁在底板上的滑槽上滑動(dòng)，繼而強(qiáng)度梁產(chǎn)生變形，通過(guò)粘貼在等強(qiáng)度梁上光纖光柵的波長(zhǎng)改變量，可以計(jì)算出等強(qiáng)度梁的端部撓度，再通過(guò)幾何關(guān)系即可得到路面結(jié)構(gòu)沿某一方向的位移量。該傳感器內(nèi)共有4個(gè)相互垂直的等強(qiáng)度梁，可以測(cè)量四個(gè)方向的層間位移量，分別計(jì)算出各個(gè)方向上的位移后將其進(jìn)行矢量疊加，就可以確切的測(cè)得層間相對(duì)位移的大小和方向。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。