本發(fā)明涉及一種水位測量及水壓力測量傳感器，尤其是一種用光纖光柵對水位及水壓力進(jìn)行測量的傳感器。

背景技術(shù)：

光纖光柵簡稱fbg，fbg傳感器是20世紀(jì)90年代傳感領(lǐng)域最好的發(fā)明，它是以fbg為核心器件而產(chǎn)生的傳感器產(chǎn)品，而fbg是一種光纖無源器件，具有可靠性好、測量精度高、能夠進(jìn)行時時監(jiān)測、抗電磁干擾、抗雷擊等優(yōu)點。因此目前在石油行業(yè)、礦業(yè)及建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測等領(lǐng)域，主要利用光纖光柵傳感器替代老式的電信號傳感器。在水壓力的測量領(lǐng)域，光纖光柵傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。

在公開號為cn201903426u的“光柵水壓力傳感器”專利，光柵直接附著于應(yīng)邊框上，一定程度上提高了傳感器的穩(wěn)定性，但這種方法存在兩點不足，其一，光柵直接附著于應(yīng)邊框上，但在測量時，并不能排除空氣的空腔影響，從而導(dǎo)致初始測量值可靠性降低；其二，在實際操作中，膜片的強度和測量對象強度需要保證在合理范圍內(nèi)，這樣才能得到可靠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而保證測量數(shù)據(jù)的可靠性。

在公開號為cn202757726u的“光柵水壓力傳感器”專利，采用了膜片配合應(yīng)邊框的方式，雖在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是在計算某一數(shù)值時，需要考慮測量介質(zhì)的強度，同時要用控制變量的方法來精確計算，所以這種方法會使測量的準(zhǔn)確性降低。

在公開號為cn203595575u的“微型動態(tài)滲透水壓力傳感器”專利，主要是將拉好的光纖光柵通過高頻加熱的方法把光柵直接固定在相對活動的結(jié)構(gòu)件的兩端，通過膜片的受力變化改變兩相對活動件間的拉緊情況。由于是變形直接作用在光柵上，懸空的光柵非常脆弱，輕微的剪力都可以造成光柵的斷裂，從而造成傳感器的損壞，從而影響了測量的可靠性。

采用現(xiàn)有的方法來測量不同水位的水壓力和孔隙水壓力存在一定的缺點，因此尋求一種安全、高效的測量方法對水壓力的測量具有重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器，包括有透水缸體及光柵倉體；其特征在于：所述透水缸體與所述光柵倉體是垂直固定設(shè)置，且所述光柵倉體高于所述透水缸體；

所述透水缸體一端連接固定有光柵倉體構(gòu)成活塞腔室，所述活塞腔室內(nèi)置有位移活塞及其懸臂傳感桿；所述懸臂傳感桿的根部套設(shè)有復(fù)位彈簧、尖狀前端頭穿過光柵倉壁觸碰有光柵倉體內(nèi)設(shè)置的彈片及其彈片光柵；另一端缸體外殼內(nèi)設(shè)有透水座，并嵌設(shè)有缸蓋及其透水石；

所述光柵倉體是豎直設(shè)置，其內(nèi)底端面中心位置固定有彈片及其彈片光柵，并在彈片的上端頭觸碰有懸臂傳感桿的尖端；在光柵彈片的側(cè)面附著有光柵，光柵頂端通過導(dǎo)線連接有鎧裝接頭；其內(nèi)頂端通過上塞由環(huán)氧樹脂封口固定，并在上塞中央由環(huán)氧樹脂通過卡環(huán)和鎧裝接頭連接固定有鎧裝光纜及橡膠套。

在上述技術(shù)方案中，所述復(fù)位彈簧的彈力是隨孔隙水壓力變化而變化；所述懸臂傳感桿的剛度與所述彈片的剛度一致；所述彈片的剛度與所述光柵彈片的剛度一致；所述透水缸體與所述光柵倉體是密封腔室。

在上述技術(shù)方案中，所述光纖光柵傳感器的測量方法是水通過透水座及其透水石進(jìn)入透水缸體的腔內(nèi)，通過水壓力作用于位移活塞，位移活塞移動并通過懸臂傳感桿的尖狀頭觸碰有光柵倉內(nèi)的彈片及其彈片光柵，使其發(fā)生撓度變化，后通過光纖導(dǎo)線及鎧裝光纜將光信號傳輸給解調(diào)儀進(jìn)行信號解調(diào)，獲得水位及孔隙水壓力。

本發(fā)明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器，與已有的水位及水壓力測量裝置相比，其優(yōu)點與積極效果首先是本發(fā)明通過傳感器與測量水介質(zhì)直接接觸，排除了空氣的空腔影響，解決了現(xiàn)有技術(shù)中初始測量值可靠性低的問題；本發(fā)明光纖光柵水壓力傳感器中使用的彈片及其彈片光柵是等強度彈片，因此在計算某一數(shù)值時，只需控制懸臂梁的強度一致，就不用考慮懸臂梁的強度，這樣會極大的提升測量的效率；移動活塞和復(fù)位彈簧可以實現(xiàn)不間斷重復(fù)測量且測量誤差也降低了很多。因此，本發(fā)明能非常有效的提高水壓力測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的透水缸體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖3是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的光柵倉體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖4是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的彈片受力圖。

圖中：1：透水缸體；2：光柵倉體；3：缸蓋；4：活塞腔室；5：位移活塞；6：懸臂傳感桿；7：光柵倉壁；8：彈片光柵；9：復(fù)位彈簧；10：缸體外殼；11：透水座；12：透水石；13：上塞；14：導(dǎo)線；15：鎧裝光纜；16：環(huán)氧樹脂；17：卡環(huán)；18：鎧裝接頭；19：橡膠套；20：彈片；21：光柵。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方案做出進(jìn)一步的說明。

實施本發(fā)明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器，該光纖光柵傳感器包括透水缸體1及光柵倉體2；其中，透水缸體1與光柵倉體2是垂直設(shè)置固定，且光柵倉體高于透水缸體1。

實施透水缸體1時，透水缸體1的一端連接固定光柵倉體2構(gòu)成活塞腔室4，該活塞腔室4的內(nèi)腔設(shè)置有水力推動的位移活塞5及其位移活塞5上固定連接的懸臂傳感桿桿6；該懸臂傳感桿6的根部套設(shè)有復(fù)位彈簧9，懸臂傳感桿6的尖狀前端頭穿過光柵倉壁7觸碰有光柵倉體2內(nèi)設(shè)置的彈片20及其彈片光柵8；另一端缸體外殼10內(nèi)設(shè)有透水座11，并嵌設(shè)有缸蓋3及其透水石12；

實施光柵倉體2時，光柵倉體2是在透水缸體1的端側(cè)面豎直設(shè)置，光柵倉體2的內(nèi)底端面中心位置固定有彈片20及其貼合的彈片光柵8，并在彈片20的上端頭觸碰有懸臂傳感桿6的尖端；在彈片光柵8的側(cè)面附著有光柵21，該光柵21頂端通過導(dǎo)線14連接有鎧裝光纜15；其內(nèi)頂端通過上塞13由環(huán)氧樹脂16封口固定，并在上塞13中央由環(huán)氧樹脂16通過卡環(huán)17和鎧裝接頭18連接固定有鎧裝光纜15及其橡膠套19。

在上述光纖光柵傳感器的具體實施方式中，該復(fù)位彈簧9的彈力是與隨該孔隙水壓力變化而變化的；該懸臂傳感桿6的剛度與該彈片20的剛度設(shè)計為等同一致的剛度；該彈片20的剛度與所述彈片光柵8的剛度設(shè)計為等同一致的剛度，且三者相應(yīng)，并校驗核準(zhǔn)；同時將該透水缸體1與該光柵倉體2設(shè)計為密封密閉腔室，才能使水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感測量的更為準(zhǔn)確可靠。

在上述光纖光柵傳感器的具體實施方式中，該水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器的測量方法是水通過透水座11及其透水石12進(jìn)入透水缸體1的腔內(nèi)，通過水壓力作用于位移活塞5，位移活塞5移動并通過懸臂傳感桿6的尖狀頭觸碰有光柵倉2內(nèi)的彈片20及其彈片光柵8，使其發(fā)生撓度變化，后通過光纖導(dǎo)線14及鎧裝光纜15將光信號傳輸給解調(diào)儀進(jìn)行信號解調(diào)，獲得水位及孔隙水壓力。

具體來講是通過一種圓形結(jié)構(gòu)的或者是方形結(jié)構(gòu)的光纖光柵水壓力傳感器來實現(xiàn)的，該光纖光柵水壓力傳感器包括圓形透水缸體1及其光柵倉體2，嵌入該圓形透水缸體1前端的透水座11，嵌入該透水座11內(nèi)部的透水石12，連接在光柵倉前端及缸體內(nèi)壁上的位移活塞5，插入位移活塞5的復(fù)位彈簧9，移活塞5與光柵倉體2之間連接著等強度的彈片20，嵌入該光柵倉體2中的光柵21，插入該光柵倉體2的上塞13，插入該上塞13內(nèi)的鎧裝光纜15，該光柵21通過光纖與鎧裝光纜15相連接，該水位測量及孔隙水壓力測量傳感器的測量方法的測量力學(xué)原理如下：

（1）由附圖4受力分析知，彈片20橫截面的正應(yīng)力：其中，ε為彈片發(fā)生的應(yīng)變；e為所用等強度彈片的彈性模量。

（2）彈片20橫截面的彎矩為：，其中，f為對懸臂梁施加的力；l為力的作用點到彈片固定點的距離。由彈片的形狀可知，其抗彎截面距為：w=bh²/6式中：w為抗彎截面距；h為彈片的厚度；b為彈片的寬度。

（3）故彈片20所受的正應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系式為：。彈片20的位移被光柵的波長變化記錄下來，通過應(yīng)力應(yīng)變公式求得作用于彈片20的力的大小，這個力就是水壓力的大小。

本光纖光柵傳感器測量不同水位的方法是按以下步驟進(jìn)行的。

（1）在測量水池、湖泊的水位時，將光纖光柵水壓力傳感器放入水中，水通過透水座內(nèi)部的透水石進(jìn)入到移動活塞和透水座的空腔內(nèi)。

（2）水壓力會作用于移動活塞，移動活塞擠壓光柵倉內(nèi)的等強度彈片，使其發(fā)生撓度變化，帶動連接在等強度彈片的光柵發(fā)生波長變化。

（3）再通過光纖和鎧裝光纜將光信號傳輸出來，經(jīng)過解調(diào)儀將信號解調(diào)出來，從而得到水壓力的變化規(guī)律。

（4）根據(jù)計算公式。壓力p與水位高度h成線性關(guān)系，所以通過測得的水壓力可以間接得到水位高度h。

本光纖光柵傳感器測量孔隙水壓力的方法是按以下步驟進(jìn)行的：

（1）用光纖光柵水壓力傳感器測量時，將圓形缸體缸蓋3擰開，水通過透水座11內(nèi)部的透水石12進(jìn)入到位移活塞5和透水座的空腔內(nèi)；

（2）水壓力作用于位移活塞5，位移活塞5擠壓光柵倉內(nèi)的等強度彈片20，使其發(fā)生撓度變化，帶動連接在等強度彈片20的光柵21發(fā)生波長變化；

（3）再通過光纖和鎧裝光纜15將光信號傳輸出來，經(jīng)過解調(diào)儀將信號解調(diào)出來，從而得到水壓力的變化規(guī)律。

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的具體實施方案做出進(jìn)一步的說明。

實施例1

實施本發(fā)明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力測量的光纖光柵傳感器的技術(shù)方案，該光纖光柵傳感器的圓形缸體外殼10和光柵倉壁7是采用316不銹鋼材料，并進(jìn)行封焊處理，這樣可以防止測量時有滲水現(xiàn)象發(fā)生。

本實施方案中，圓形透水缸體1與缸蓋3采用螺紋連接，缸蓋3采用316不銹鋼材料，透水石12是一種用砂質(zhì)顆粒均勻膠結(jié)的多孔板，具有完全透水功能，透水石12是嵌入于透水座11中，透水座11與透水缸體外殼10是采用o型圈密封固定；位移活塞5是采用硅鋁合金材料，復(fù)位彈簧9是采用70#碳素彈簧鋼絲，復(fù)位彈簧7焊接到位移活塞5的觸針端；將等強度彈片20焊接到光柵倉體的的內(nèi)底端面中心位置，彈片20采用不銹鋼材料；光柵21通過焊接固定在光柵倉體的底端面，等強度彈片20與光柵21通過螺母緊固；導(dǎo)線14的一端用膠粘在光柵21上，另一端穿過上塞13，在鎧裝光纜15的一端卡上卡環(huán)13上，然后在另一端套上鎧裝接頭18，拉緊后用液壓鉗將鎧裝接頭18和鎧裝光纜15壓接在一起，鎧裝光纜15外壁用橡膠套19固定保護(hù)；上塞13采用防水橡膠塞，鎧裝接頭18與上塞13用螺紋緊固；在上塞13和光柵倉體2之間的空腔內(nèi)放入o型圈，壓到底端，并用環(huán)氧樹脂將空腔填滿，具體實施步驟按下列步驟進(jìn)行。

步驟一：光纖光柵水壓力傳感器的組裝；

（1）將復(fù)位彈簧9套接在位移活塞5上，壓入透水缸體1；

（2）將透水石12直接壓入透水座11，并將透水座11與缸體外殼10固定；

（3）將等強度彈片20和光柵21固定在光柵倉2的底端；

（4）將鎧裝光纜15一端用卡環(huán)17固定，在鎧裝光纜15的另一端套上鎧裝接頭18，將光纖連接到光柵21上，光纖尾端從上塞的小孔穿出來；

（5）用液壓鉗將鎧裝接頭18與鎧裝光纜15壓接在一起，再套上橡膠套19進(jìn)行保護(hù)；

（6）將甩出的光纖穿入鎧裝光纜15，通過螺紋將壓好的鎧裝接頭18固定在上塞13上；

（7）上塞13與光柵倉體1之間形成了一個環(huán)形空腔，用環(huán)氧樹脂16將其填滿；

（8）將圓形缸體蓋3通過螺紋連接到缸體外殼10前端。

步驟二：用光纖光柵水壓力傳感器測量水壓力；

（1）、用光纖光柵水壓力傳感器測量時，將圓形缸體蓋3擰開，水通過透水座11內(nèi)部的透水石12進(jìn)入到位移活塞5和透水座11的空腔內(nèi)；

（2）、水壓力會作用于位移活塞5，位移活塞5擠壓彈片光柵8內(nèi)的等強度彈片20，使其發(fā)生撓度變化，帶動連接在等強度彈片20的光柵21發(fā)生波長變化；

（3）、再通過光纖和鎧裝光纜15將光信號傳輸出來，經(jīng)過解調(diào)儀將信號解調(diào)出來，從而得到水壓力的變化規(guī)律。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。