本發(fā)明基于光纖光柵技術(shù)，是一種用于監(jiān)測建筑物傾斜量的傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大型土木工程諸如水利工程、橋梁工程、房屋工程、近海采油平臺和大型水塔等由于地基基礎(chǔ)不均勻沉降易發(fā)生傾斜現(xiàn)象，不但影響工程建筑的正常使用功能，而且引起附加應(yīng)力甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，貫穿施工與運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)傾斜狀態(tài)監(jiān)測很有必要。傳統(tǒng)的傾角傳感器以電磁效應(yīng)、電容效應(yīng)等為基本原理，可達(dá)到較高的精度與分辨率，但這種弱電式傳感器存在抗電磁干擾性能差、測量距離近的缺陷，在電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境以及需要遠(yuǎn)距離監(jiān)測的情況下難以適用。光纖光柵具有測量靈敏度高、抗電磁干擾、信號傳輸距離遠(yuǎn)、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，適用于建筑物的長期遠(yuǎn)距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。因此，研發(fā)一種用于長期實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑物傾斜量的光纖光柵傾角傳感器有意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕，用于長期實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑物傾斜量的傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

一種重力式光纖光柵傾角傳感器，主要包括保護(hù)殼體和感應(yīng)結(jié)構(gòu)；

保護(hù)殼體為矩形盒式，一側(cè)開小孔用于尾纖穿出；固定片用于保護(hù)殼體與被測物體的連接；

感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括配重塊、應(yīng)變感應(yīng)基片、監(jiān)測光纖光柵、補(bǔ)償光纖光柵、固定軸、L型連接件、I型連接件和不銹鋼短柱其整體成鐘擺結(jié)構(gòu)；

固定軸固定于保護(hù)殼體的右上角，固定軸中部連接兩個(gè)I型連接件；配重塊為等腰直角三角形，其斜邊中心處連接兩個(gè)L型連接件，兩個(gè)直角邊上平行于斜邊且過三角形形心的位置上固定兩個(gè)小型等腰直角三角形；

應(yīng)變感應(yīng)基片為矩形薄片，兩端分別采用螺栓與L型連接件和I型連接件連接；將配重塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，將四個(gè)不銹鋼短柱固接到保護(hù)殼體內(nèi)；不銹鋼短柱的固定位置是在配重塊的兩個(gè)小型等腰直角三角形上下兩邊和配重塊斜邊上，用來阻止配重塊旋轉(zhuǎn)，防止應(yīng)變感應(yīng)基片受壓力作用；監(jiān)測光纖光柵粘貼于應(yīng)變感應(yīng)基片中部；補(bǔ)償光纖光柵粘貼于保護(hù)殼體臨近監(jiān)測光纖光柵的內(nèi)壁上；監(jiān)測光纖光柵與補(bǔ)償光纖光柵的尾纖均穿過保護(hù)殼體側(cè)面小孔并套上光纖松套管。

所述監(jiān)測光纖光柵為Bragg光柵。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1.可對構(gòu)件傾斜角度進(jìn)行全壽命周期監(jiān)測。

本發(fā)明通過光纖光柵獲取應(yīng)變感應(yīng)基片的軸向應(yīng)變，監(jiān)測靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，理論上可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件傾斜角度全壽命周期監(jiān)測。

2.量程大、測量精度可以調(diào)節(jié)。

由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，本傾角傳感器量程達(dá)到-45°到45°，滿足土木工程大型結(jié)構(gòu)傾角量程方面的要求。此外，本發(fā)明的原理是配重塊受力平衡時(shí)在基片上產(chǎn)生軸向分力，引起基片發(fā)生軸向應(yīng)變。因此配重塊的質(zhì)量大小，基片的選材和截面尺寸，直接影響著單位角度改變量引起基片軸向應(yīng)變的大小，通過改變以上因素可改變傳感器的監(jiān)測精度，使其滿足不同的精度要求。

3.監(jiān)測響應(yīng)速度快。

本發(fā)明是基于配重塊受力平衡時(shí)在基片上產(chǎn)生軸向分力，通過監(jiān)測光纖光柵測得基片軸向應(yīng)變從而獲取光纖光柵中心波長改變量并反推測點(diǎn)傾角，其原理簡單，傳力途徑清晰簡明，無過多的機(jī)械傳導(dǎo)裝置，因此傳感器響應(yīng)速度快。

4.布置方式多樣。

本發(fā)明是密封盒式設(shè)計(jì)，既可直接布置于所需監(jiān)測部位，亦可以預(yù)埋于預(yù)制構(gòu)件中，可提高傳感器在施工監(jiān)測中的存活率。

5.適用范圍廣。

本發(fā)明體積小且密封，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，不僅應(yīng)用于建筑以及水壩方面的結(jié)構(gòu)傾斜量的監(jiān)測，還可以應(yīng)用該發(fā)明對橋梁結(jié)構(gòu)撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

本發(fā)明傾角傳感器結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，測量精度高且可調(diào)，穩(wěn)定性好，具有溫度自補(bǔ)償功能，且易于加工制造，抗電磁干擾，具有較好的工程應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2是本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維示意圖。

圖3是本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的夾角θ示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。不違背本發(fā)明技術(shù)方案的前提下，對本發(fā)明所作的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易實(shí)現(xiàn)的任何改動(dòng)或改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。

圖1-4所示，一種重力式光纖光柵傾角傳感器，主要包括保護(hù)殼體和感應(yīng)結(jié)構(gòu)；

保護(hù)殼體10為矩形盒式，一側(cè)開小孔用于尾纖12穿出；固定片11用于保護(hù)殼體10與被測物體的連接；

感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括配重塊1、應(yīng)變感應(yīng)基片2、監(jiān)測光纖光柵3、補(bǔ)償光纖光柵4、固定軸5、L型連接件6、I型連接件7和不銹鋼短柱8其整體成鐘擺結(jié)構(gòu)；

固定軸5固定于保護(hù)殼體10的右上角，固定軸5中部連接兩個(gè)I型連接件7；配重塊1為等腰直角三角形，其斜邊中心處連接兩個(gè)L型連接件6，兩個(gè)直角邊上平行于斜邊且過三角形形心的位置上固定兩個(gè)小型等腰直角三角形；

應(yīng)變感應(yīng)基片2為矩形薄片，兩端分別采用螺栓9與L型連接件6和I型連接件7連接；將配重塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，將四個(gè)不銹鋼短柱8固接到保護(hù)殼體10內(nèi)；不銹鋼短柱8的固定位置是在配重塊1的兩個(gè)小型等腰直角三角形上下兩邊和配重塊1斜邊上，用來阻止配重塊1旋轉(zhuǎn)，防止應(yīng)變感應(yīng)基片2受壓力作用；監(jiān)測光纖光柵3粘貼于應(yīng)變感應(yīng)基片2中部；補(bǔ)償光纖光柵4粘貼于保護(hù)殼體10臨近監(jiān)測光纖光柵3的內(nèi)壁上；監(jiān)測光纖光柵3與補(bǔ)償光纖光柵4的尾纖12均穿過保護(hù)殼體10側(cè)面小孔并套上光纖松套管。

所述監(jiān)測光纖光柵3為Bragg光柵。

本發(fā)明的工作原理如下：

由光纖光柵原理可知，本傳感器所測量應(yīng)變與基片軸向應(yīng)變滿足關(guān)系：

A＝b·h (2)

式中，Δλ_B為中心波長改變量，k_ε為光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)，A為基片凈截面面積，b為基片的截面寬度，h為基片的厚度。N為基片上軸向力，其滿足基本方程：

N＝mg cosθ (3)

m＝ρ·V (4)

其中m為配重塊質(zhì)量，ρ為配重塊材料密度，V為配重塊體積，θ為基片軸線與鉛垂方向之間的夾角，如圖4所示。將(2)(3)(4)帶入(1)可得：

進(jìn)而有

令則有：

θ＝arccos KΔλ_B (7)

式中，K為材料系數(shù)。

雖然設(shè)計(jì)時(shí)基片與鉛垂方向成45°角，但由于安置傳感器時(shí)具有角度偏差，即基片與鉛垂方向成角不為45°，因此，安置時(shí)需要對基片與鉛垂方向初始角度進(jìn)行監(jiān)測即θ_初，從而在以后的監(jiān)測中可得測點(diǎn)的實(shí)際傾斜角度α。

α＝θ_測-θ_初 (8)

即有α＝arccosKΔλ_B測-arccosKΔλ_B初 (9)

由此式可看出通過監(jiān)測實(shí)時(shí)中心波長改變量Δλ_B測與安置時(shí)中心波長改變量Δλ_B初，從而獲得測點(diǎn)當(dāng)前傾角α的結(jié)果，且α為正說明逆時(shí)針傾斜，α為負(fù)說明順時(shí)針傾斜。

本發(fā)明的一種基于光纖光柵技術(shù)的傾角傳感器具體封裝方式為：

把應(yīng)變感應(yīng)基片一側(cè)的中間部位用酒精清洗并擦拭干凈，平放在封裝臺上，然后將光纖光柵兩端固定，并施加一定的預(yù)應(yīng)力，平行放置于基片對稱軸中間位置的表面。用光纖光柵精密調(diào)整架調(diào)整光纖光柵的位置，使光纖光柵的柵區(qū)緊貼在基片對稱軸中間位置，滴取少量氰基丙烯酸乙酯于柵區(qū)處，當(dāng)柵區(qū)固定后再在柵區(qū)表面涂抹少量環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂固化后即完成了監(jiān)測光纖光柵的封裝。采用同樣的方式，在保護(hù)殼體內(nèi)壁表面臨近監(jiān)測光纖光柵的位置上粘貼補(bǔ)償光纖光柵。尾纖表面涂抹少量704膠后，用光纖松套管進(jìn)行保護(hù)。

保護(hù)殼體由鋁板拼成，并采用螺栓固定，其中一側(cè)鋁板上預(yù)留一個(gè)小孔，用來穿出尾纖。固定片采用螺栓固定在保護(hù)殼體上。采用螺栓將鋼柱固定于保護(hù)殼體的右上角，并套上比鋼柱直徑大一點(diǎn)的鋼管形成固定軸。鋼管的中部焊接兩個(gè)I型連接件，其間距為基片厚度。在配重塊直角邊上用502粘接兩個(gè)小型等腰直角三角形，使兩小型等腰直角三角形的形心連線平行于配重塊斜邊且過配重塊形心，并在配重塊斜邊上用螺栓連接兩個(gè)L型連接件，兩連接件間距為基片厚度?；瑑啥擞寐菟ǚ謩e與L型連接件和I型連接件相連。此外，在保護(hù)殼體內(nèi)部，采用502膠將不銹鋼短柱粘接在殼體內(nèi)壁的指定位置上。