专利名称：一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器。
背景技术：
相似材料模拟实验是岩石力学传统研究方法之一，也仍是目前被许多工程研究所采用的有效方法。二十世纪40年代全苏矿山研究院Γ.Η.库兹涅佐夫创立平面相似材料模型实验技术，并应用于煤矿开采的岩层破断活动规律研究中。60年代该方法引入我国高校和科学研究单位，成为矿山开采、岩土工程问题的主要研究手段，在煤矿冲击矿压、地下开采、厚煤层放顶煤开采、井巷(隧)工程及矿山安全技术等许多方面得到应用。但相似材料模拟实验发展至今，模型内的应力应变无法测试，实验设备与实验技术相对滞后的问题普遍存在。目前所用的为通过电式应变片粘贴所形成的各种传感器。但由于应变片易受外界干扰，因此，经常出现传感器失效的情况，严重影响实验测试精度。(1)精度低；(2)易受外界干扰而失效，特别是水的影响；光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种有着广泛应用前景的、性能优良的反射滤波无源敏感元件，通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界微小应变变化而实现对结构在线测量。其基本原理为当光纤中的光波通过光栅时，满足光栅波长条件的光被反射回来而成为反射光，其余的光成为透射光，外界参量的变化将引起反射光波长的漂移，而通过对波长漂移量的检测即可得到外界参量的变化量。温度和应变是最能直接改变反射波长的外界参量。光纤光栅结构如图1所示，其中01为纤芯，02为包裹在纤芯外部的包层，A为光栅周期；图2为光通过光栅时的能量分配图，其中2-1为入射光谱，2-2为反射光谱，2-3为透射(传导)光谱，横坐标表示波长，纵坐标表示能量，Xb为反射光的中心波长。光纤光栅具有极高的测试精度，且不受电磁辐射等外界干扰，除此以外还具有易于布设、准分布式测量等多种优点，鉴于此，该项技术具有在航空航天、复合材料、混凝土结构工程、电力工程及医学等多个领域得到广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器。本发明采用如下技术方案一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器，包括圆柱形金属盒、圆柱形橡胶块及光纤光栅；圆柱形橡胶块的侧面沿环向粘贴光纤光栅，用于测试橡胶的环向应变， 圆柱形橡胶块下端面固定在所述圆柱形金属盒的底部，上端面与金属盒上端面相连；所述圆柱形金属盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之间可以上下相对运动，当垂直应力作用在金属盒上端面时，垂直应力全部作用在橡胶块上。
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矿山压力相似模拟实验是岩石力学最为常用的研究手段之一，但长久以来测试手段的落后是影响其发展的重要因素，特别是相似模型内部应力的测试一直都是难以解决的难题。因此，本发明将为相似模拟实验提供新的测试手段，且光纤光栅具有极高的精度，可以提供精确数据。
图1光纤光栅结构示意图；图2为光通过光栅时的能量分配图；图3本发明传感器结构示意4本发明测试过程电路原理示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。1、传感器结构本发明传感器具体结构如图2所示。包括组合型圆柱形金属盒10、圆柱形橡胶块 20及光纤光栅30。圆柱形橡胶块20的侧面沿环向粘贴传感用光纤光栅30，用于测试橡胶的环向应变，圆柱形橡胶块20下端面固定在(例如可以通过强力胶粘合)在金属盒10的底部，上端面与金属盒上端面相连。组合型圆柱形金属盒10包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之间可以上下相对运动，可以起保护光纤光栅30的作用，当垂直应力作用在金属盒10上端面时，金属盒侧面不起支撑作用，而使垂直应力全部作用在橡胶块20上。同时，金属盒还避免了侧向应力对测试过程的影响。2、传感器工作原理本发明的传感器被埋至相似模型中，垂直应力作用于金属盒10上端面，橡胶块20 受压后产生压缩变形，环向应变致使光纤光栅产生拉应变，反射光波长发生漂移，通过对反射波长的测试、换算，求得垂直应力。3、测试过程光纤光栅30通过外部引线与解调仪40连接，解调仪40通过网络连线41与外接计算机42相连。解调仪40发出光信号，至光纤光栅30后，满足反射条件的光被反射回来， 反射光返回解调仪40，经过光电转换21生成电信号、数据采集22生数字信号32，数字信号 32经过波长计算23、数据分析M，通过此过程可获得反射波长的变化信息，再通过数据处理求可得到垂直应力。具体的测试过程如图4所示。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1. 一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括圆柱形金属盒、圆柱形橡胶块及光纤光栅；圆柱形橡胶块的侧面沿环向粘贴光纤光栅，用于测试橡胶的环向应变，圆柱形橡胶块下端面固定在所述圆柱形金属盒的底部，上端面与金属盒上端面相连；所述圆柱形金属盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之间可以上下相对运动，当垂直应力作用在金属盒上端面时，垂直应力全部作用在橡胶块上。
全文摘要
本发明公开了一种相似模拟实验用垂直应力光纤光栅压力传感器，包括圆柱形金属盒、圆柱形橡胶块及光纤光栅；圆柱形橡胶块的侧面沿环向粘贴光纤光栅，用于测试橡胶的环向应变，圆柱形橡胶块下端面固定在所述圆柱形金属盒的底部，上端面与金属盒上端面相连；所述圆柱形金属盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之间可以上下相对运动，当垂直应力作用在金属盒上端面时，垂直应力全部作用在橡胶块上。本发明将为相似模拟实验提供新的测试手段，且光纤光栅具有极高的精度，可以提供精确数据。
文档编号G01L1/24GK102175364SQ20111004703
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者柴敬, 许力, 魏世明 申请人:河南理工大学