一种重力式光纤光栅倾角传感器的制作方法

本发明基于光纤光栅技术，是一种用于监测建筑物倾斜量的传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

大型土木工程诸如水利工程、桥梁工程、房屋工程、近海采油平台和大型水塔等由于地基基础不均匀沉降易发生倾斜现象，不但影响工程建筑的正常使用功能，而且引起附加应力甚至导致结构破坏。因此，贯穿施工与运营期的结构倾斜状态监测很有必要。传统的倾角传感器以电磁效应、电容效应等为基本原理，可达到较高的精度与分辨率，但这种弱电式传感器存在抗电磁干扰性能差、测量距离近的缺陷，在电磁干扰严重的环境以及需要远距离监测的情况下难以适用。光纤光栅具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、信号传输距离远、耐腐蚀的优点，适用于建筑物的长期远距离结构健康监测。因此，研发一种用于长期实时监测建筑物倾斜量的光纤光栅倾角传感器有意义。

技术实现要素：

本发明涉及一种结构简单，性能稳定、可靠、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀，用于长期实时监测建筑物倾斜量的传感器。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种重力式光纤光栅倾角传感器，主要包括保护壳体和感应结构；

保护壳体为矩形盒式，一侧开小孔用于尾纤穿出；固定片用于保护壳体与被测物体的连接；

感应结构包括配重块、应变感应基片、监测光纤光栅、补偿光纤光栅、固定轴、L型连接件、I型连接件和不锈钢短柱其整体成钟摆结构；

固定轴固定于保护壳体的右上角，固定轴中部连接两个I型连接件；配重块为等腰直角三角形，其斜边中心处连接两个L型连接件，两个直角边上平行于斜边且过三角形形心的位置上固定两个小型等腰直角三角形；

应变感应基片为矩形薄片，两端分别采用螺栓与L型连接件和I型连接件连接；将配重块顺时针旋转45°，将四个不锈钢短柱固接到保护壳体内；不锈钢短柱的固定位置是在配重块的两个小型等腰直角三角形上下两边和配重块斜边上，用来阻止配重块旋转，防止应变感应基片受压力作用；监测光纤光栅粘贴于应变感应基片中部；补偿光纤光栅粘贴于保护壳体临近监测光纤光栅的内壁上；监测光纤光栅与补偿光纤光栅的尾纤均穿过保护壳体侧面小孔并套上光纤松套管。

所述监测光纤光栅为Bragg光栅。

本发明具有下列优点：

1.可对构件倾斜角度进行全寿命周期监测。

本发明通过光纤光栅获取应变感应基片的轴向应变，监测灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，理论上可实现构件倾斜角度全寿命周期监测。

2.量程大、测量精度可以调节。

由结构设计可知，本倾角传感器量程达到-45°到45°，满足土木工程大型结构倾角量程方面的要求。此外，本发明的原理是配重块受力平衡时在基片上产生轴向分力，引起基片发生轴向应变。因此配重块的质量大小，基片的选材和截面尺寸，直接影响着单位角度改变量引起基片轴向应变的大小，通过改变以上因素可改变传感器的监测精度，使其满足不同的精度要求。

3.监测响应速度快。

本发明是基于配重块受力平衡时在基片上产生轴向分力，通过监测光纤光栅测得基片轴向应变从而获取光纤光栅中心波长改变量并反推测点倾角，其原理简单，传力途径清晰简明，无过多的机械传导装置，因此传感器响应速度快。

4.布置方式多样。

本发明是密封盒式设计，既可直接布置于所需监测部位，亦可以预埋于预制构件中，可提高传感器在施工监测中的存活率。

5.适用范围广。

本发明体积小且密封，适应环境能力强，不仅应用于建筑以及水坝方面的结构倾斜量的监测，还可以应用该发明对桥梁结构挠度进行实时监测。

本发明倾角传感器结构简单，响应速度快，测量精度高且可调，稳定性好，具有温度自补偿功能，且易于加工制造，抗电磁干扰，具有较好的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的内部结构主视图。

图2是本发明的内部结构三维示意图。

图3是本发明的外部结构示意图。

图4是本发明的夹角θ示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

图1-4所示，一种重力式光纤光栅倾角传感器，主要包括保护壳体和感应结构；

保护壳体10为矩形盒式，一侧开小孔用于尾纤12穿出；固定片11用于保护壳体10与被测物体的连接；

感应结构包括配重块1、应变感应基片2、监测光纤光栅3、补偿光纤光栅4、固定轴5、L型连接件6、I型连接件7和不锈钢短柱8其整体成钟摆结构；

固定轴5固定于保护壳体10的右上角，固定轴5中部连接两个I型连接件7；配重块1为等腰直角三角形，其斜边中心处连接两个L型连接件6，两个直角边上平行于斜边且过三角形形心的位置上固定两个小型等腰直角三角形；

应变感应基片2为矩形薄片，两端分别采用螺栓9与L型连接件6和I型连接件7连接；将配重块顺时针旋转45°，将四个不锈钢短柱8固接到保护壳体10内；不锈钢短柱8的固定位置是在配重块1的两个小型等腰直角三角形上下两边和配重块1斜边上，用来阻止配重块1旋转，防止应变感应基片2受压力作用；监测光纤光栅3粘贴于应变感应基片2中部；补偿光纤光栅4粘贴于保护壳体10临近监测光纤光栅3的内壁上；监测光纤光栅3与补偿光纤光栅4的尾纤12均穿过保护壳体10侧面小孔并套上光纤松套管。

所述监测光纤光栅3为Bragg光栅。

本发明的工作原理如下：

由光纤光栅原理可知，本传感器所测量应变与基片轴向应变满足关系：

A＝b·h (2)

式中，Δλ_B为中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数，A为基片净截面面积，b为基片的截面宽度，h为基片的厚度。N为基片上轴向力，其满足基本方程：

N＝mg cosθ (3)

m＝ρ·V (4)

其中m为配重块质量，ρ为配重块材料密度，V为配重块体积，θ为基片轴线与铅垂方向之间的夹角，如图4所示。将(2)(3)(4)带入(1)可得：

进而有

令则有：

θ＝arccos KΔλ_B (7)

式中，K为材料系数。

虽然设计时基片与铅垂方向成45°角，但由于安置传感器时具有角度偏差，即基片与铅垂方向成角不为45°，因此，安置时需要对基片与铅垂方向初始角度进行监测即θ_初，从而在以后的监测中可得测点的实际倾斜角度α。

α＝θ_测-θ_初 (8)

即有α＝arccosKΔλ_B测-arccosKΔλ_B初 (9)

由此式可看出通过监测实时中心波长改变量Δλ_B测与安置时中心波长改变量Δλ_B初，从而获得测点当前倾角α的结果，且α为正说明逆时针倾斜，α为负说明顺时针倾斜。

本发明的一种基于光纤光栅技术的倾角传感器具体封装方式为：

把应变感应基片一侧的中间部位用酒精清洗并擦拭干净，平放在封装台上，然后将光纤光栅两端固定，并施加一定的预应力，平行放置于基片对称轴中间位置的表面。用光纤光栅精密调整架调整光纤光栅的位置，使光纤光栅的栅区紧贴在基片对称轴中间位置，滴取少量氰基丙烯酸乙酯于栅区处，当栅区固定后再在栅区表面涂抹少量环氧树脂，待环氧树脂固化后即完成了监测光纤光栅的封装。采用同样的方式，在保护壳体内壁表面临近监测光纤光栅的位置上粘贴补偿光纤光栅。尾纤表面涂抹少量704胶后，用光纤松套管进行保护。

保护壳体由铝板拼成，并采用螺栓固定，其中一侧铝板上预留一个小孔，用来穿出尾纤。固定片采用螺栓固定在保护壳体上。采用螺栓将钢柱固定于保护壳体的右上角，并套上比钢柱直径大一点的钢管形成固定轴。钢管的中部焊接两个I型连接件，其间距为基片厚度。在配重块直角边上用502粘接两个小型等腰直角三角形，使两小型等腰直角三角形的形心连线平行于配重块斜边且过配重块形心，并在配重块斜边上用螺栓连接两个L型连接件，两连接件间距为基片厚度。基片两端用螺栓分别与L型连接件和I型连接件相连。此外，在保护壳体内部，采用502胶将不锈钢短柱粘接在壳体内壁的指定位置上。