阅读说明：本技术 一种光纤光栅土压力传感器 (Fiber grating soil pressure sensor ) 是由 裴华富 李晴文 邹德高 朱鸿鹄 孔宪京 杨庆 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于光纤传感技术领域,涉及一种光纤光栅土压力传感器。该光纤光栅土压力传感器包括传感器壳体,光纤光栅、等强度悬臂梁、弧形滑道、一次膜片、二次膜片以及它们连接后共同形成的液压腔。本发明采用双膜结构,在双层膜片中填充液压油,等强度悬臂梁自由端设有轻质钢球,在土压力的作用下钢球沿弧形滑道移动,引起光纤光栅产生应变。根据实验要求的不同,设计不同弧形滑道,人为控制等强度悬臂梁的的变形程度,进而控制粘贴在梁上的光纤Bragg光栅的变形,充分发挥光纤光栅技术的优越性。内置的温度补偿光栅用于补偿温度的影响。显著提高测量的灵敏度和精度,工程适用性。(The invention belongs to the technical field of optical fiber sensing, and relates to an optical fiber grating soil pressure sensor. The fiber grating soil pressure sensor comprises a sensor shell, a fiber grating, an equal-strength cantilever beam, an arc-shaped slideway, a primary diaphragm, a secondary diaphragm and a hydraulic cavity formed by the connection of the fiber grating, the equal-strength cantilever beam, the arc-shaped slideway, the primary diaphragm and the secondary diaphragm. The invention adopts a double-membrane structure, hydraulic oil is filled in a double-membrane sheet, the free end of the equal-strength cantilever beam is provided with a light steel ball, and the steel ball moves along an arc-shaped slideway under the action of soil pressure to cause the fiber bragg grating to generate strain. According to different experimental requirements, different arc-shaped slideways are designed, the deformation degree of the cantilever beam with equal strength is manually controlled, the deformation of the fiber Bragg grating attached to the beam is further controlled, and the superiority of the fiber Bragg grating technology is fully exerted. The built-in temperature compensation grating is used for compensating the influence of temperature. The sensitivity and the precision of measurement are obviously improved, and the engineering applicability is improved.)

一种光纤光栅土压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种用于测量土压力的光纤光栅土压力传感器。

背景技术

土压力的计算和测量对于有效解决岩土工程问题具有重要意义。然而，由于影响因素繁多、受力条件复杂多变等岩土工程问题固有特点，通过理论计算所得到的土压力与实际情况误差较大。因此，采用测试仪器对土压力进行测量，仍是解决这一问题的主流方法。土压力传感器是常用的土压力测试仪器，主要用于堤坝、边坡、路基等结构体内部土体的压力。传统的土压力传感器主要包括振弦式、电阻应变式、差动电阻式和电感式等。然而，传统测量土压力的传感器在恶劣环境下存在长期稳定性较差、防潮性能差、组网功能差、易受电磁干扰，而且多点测量时布线多且复杂，组网困难，难以满足长期安全监测的要求。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种新型高精度传感器，可有效监测应变变化。它是在光纤纤芯内形成空间相位周期性分布的光栅结构，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器。相比于传统电磁类传感器，FBG是一种新型光纤无源器件，具有本质安全、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、使用寿命长、可同时作为传感元件和传输媒介、易于波分复用等优点，被广泛应用于传感领域。因此，基于光纤Bragg光栅(FBG)传感技术的土压力传感器的研发是现代岩土工程领域的热点。FBG土压力传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、质量轻、信号传输距离远、易于组网等优点，能够克服现有传感器的不足，在土压力测试领域具有广阔的工程应用前景。

发明内容

本发明针对现有技术缺陷，提供一种结构简单、灵敏度高同时具有温度补偿功能的光纤光栅土压力传感器。

本发明的技术方案：

一种光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体1、一次膜片2、二次膜片3、传压油腔4、等强度悬臂梁6、弧形滑道8和光纤光栅9。

传感器壳体1为开口向上的箱体结构，其上端开口处为阶梯结构，其侧壁开有引出孔11；一次膜片2安装在传感器壳体1开口的外层，二次膜片3安装在传感器壳体1开口的内层，在一次膜片2与二次膜片3之间为传压油腔4，其中充填有液压油；二次膜片3内表面中心处固定连接有竖直向下的等强度悬臂梁6，等强度悬臂梁6端部焊接有钢球7，钢球7与固定在传感器壳体1底部的弧形滑道8的顶部相切；光纤光栅9粘贴在等强度悬臂梁一侧面，并与温度补偿光纤10串联，温度补偿光纤10通过引出孔11引出。

所述的传压油腔4连接有注油柱5，用于向传压油腔4中注入液压油。

所述的弧形滑道8是光滑无摩擦的，其上布置有凹槽12，保证钢球7沿着指定方向移动。

所述的等强度悬臂梁6由弹性金属制成。

所述的传感器壳体1为圆柱体。

当土压力作用在一次膜片上，使一次膜片中心产生大小与所受应力呈线性关系的挠度变化，同时传压油腔内的液压油受到一次膜片的挤压作用，二次膜片在受到液压油产生的等值均布压力作用下产生挠度变化，推动下方的等强度悬臂梁向下移动，钢球沿着光滑的弧形滑道移动，产生竖向和侧向位移，等强度梁发生弯曲，从而使粘贴在等强度悬臂梁中心轴线上的光纤Bragg光栅发生波长移位。

当一次膜片受到均布压力p₀并达到稳定时,根据静止流体力学中静压强的等值性,二次膜片也受到来自油体的均布压力p₀。由圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片产生的挠度为

式中：t₂为二次膜片厚度；E₂为二次膜片弹性模量；μ₂为二次膜片泊松比；x为二次膜的中心到计算点半径方向的距离。

最大挠度在二次膜片的中心x＝0处：

二次膜片的变形推动其中心下方的等强度悬臂梁发生相同的竖向位移ω₀。使梁端钢球沿着指定曲线关系的弧形滑道移动，根据弧形滑道的曲线关系推导处钢球侧向位移ω_h，侧向位移ω_h与等强度悬臂梁上各点应变ε存在下列关系：

其中h为等强度悬臂梁厚度；l为等强度悬臂梁长度。从而得出出等强度梁上应变ε与均布压力p₀的关系。

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε

λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长；Δλ_B为波长移位量；P_e为有效弹-光系数。由此可进一步推导光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与传感器所受到的法向土压力p₀的关系。

本发明的有益效果：本发明采用双膜结构，在双层膜片中填充液压油，能够准确传导土压力，可避免传感器敏感元件与岩土介质直接接触，提高了传感器对不同介质材料的适应性；同时可根据实验要求设计不同弧形滑道，人为的控制等强度悬臂梁的的变形程度，进而控制粘贴在梁上的光纤Bragg光栅的变形，充分发挥光纤光栅技术的优越性；内置的温度补偿光栅可用于补偿温度的影响，减小土压力数值存在的误差；该发明能显著提高测量的灵敏度和精度，工程适用性强。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图；

图2是等强度悬臂梁图；

图3是弧形滑道三维效果图。

图中：1传感器壳体；2一次膜片；3二次膜片；4传压油腔；5注油柱；6等强度悬臂梁；7钢球；8弧形滑道；9光纤光栅；10温度补偿光纤；11引出孔；12凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。另外本发明的描述中，需说明的是术语：“竖向”、“侧向”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。

如图1所示，本发明提供的光纤光栅土压力传感器，包括传感器壳体 1、一次膜片2、二次膜片3、传压油腔4、等强度悬臂梁6、弧形滑道8和光纤光栅9。传感器壳体1为开口向上的箱体结构，其上端开口处为阶梯结构，其侧壁开有引出孔11；一次膜片2安装在传感器壳体1开口的外层，二次膜片 3安装在传感器壳体1开口的内层，在一次膜片2与二次膜片3之间为传压油腔4，其中充填有液压油；二次膜片3内表面中心处固定连接有竖直向下的等强度悬臂梁6，等强度悬臂梁6端部焊接有钢球7，钢球7与固定在传感器壳体1底部的弧形滑道8的顶部相切；光纤光栅9粘贴在等强度悬臂梁一侧面，并与温度补偿光纤10串联，温度补偿光纤10通过引出孔11引出。传感器壳体1为圆柱体外壳，传压油腔4通过注油柱5通过油嘴注满液压油，当外部土压力作用于传感器的一次膜片2，传压油腔4内的液压油将压力等值地传递给二次膜片3。

根据静止流体力学中静压强的等值性,二次膜片3受到来自油体的均布压力 p₀。由圆形薄板小挠度变形理论，二次膜片3产生的挠度为

式中：t₂为二次膜片厚度；E₂为二次膜片弹性模量；μ₂为二次膜片泊松比；x为二次膜的中心到计算点半径方向的距离。

最大挠度在二次膜片的中心x＝0处：

二次膜片中心的挠度使等强度悬臂梁6向下移动，梁端钢球7沿着弧形滑道 8移动，为保证钢球移动路线，在弧形滑道上设凹槽12。钢球7产生侧向位移，促使等强度悬臂梁6发生变形。

根据弧形滑道的曲线关系推导处钢球侧向位移ω_h，侧向位移ω_h与等强度悬臂梁上各点应变ε存在下列关系：

其中h为等强度悬臂梁厚度；l为等强度悬臂梁长度。从而得出出等强度梁上应变ε与均布压力p₀的关系。

梁上的光纤光栅9产生应变，光纤Bragg光栅中心波长发生变化，光纤 Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε

λ_B为光纤Bragg光栅的中心波长；Δλ_B为波长移位量；P_e为有效弹-光系数。由此可进一步推导光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与传感器所受到的法向土压力p₀的关系。

光纤光栅9通过光纤与一个自由状态不受力的温度补偿光10串联，用以补偿温度变化引起的影响，减少光纤光栅土压力传感器的误差。最终推出波长变化与介质土压力的之间的关系。

本发明采用双膜结构，在双层膜片中填充液压油，能够准确传导土压力。采用光纤光栅作为监测传感元件，有效增加了灵敏度和测量精度。本发明所提供的光纤光栅土压力盒，传力机理明确，静态特性稳定，具有良好的工程应用前景。