一种拱式光纤光栅压力传感器的制作方法

本发明基于光纤光栅传感技术，涉及一种压力传感器的结构，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

压力是工程运营状态监测和安全评估的重要参数，用于测量压力的传感器成为工程中常用的传感器之一。光纤光栅传感技术利用波长调制编码传感信号，无需参考点，通过光的波长变化实现对被测物理量的测量，且测量结果不受光的强度、连接损耗等因素影响。目前，光纤光栅以其质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、传输损耗小等优良的性能被应用于工程中。因此，本发明采用光纤光栅传感技术，利用其优良的性能开发一种拱式光纤光栅压力传感器实现压力准确测量和实时监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于利用光纤光栅的优良特性，基于拱梁组合结构自平衡体系原理，提供一种结构简单、灵敏度高、耐久性好的拱式光纤光栅压力传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种拱式光纤光栅压力传感器，包括：金属刚性盖板、传力杆、铰链、插销、传力板、金属弹性元件、辊轴、用于测量压力的光纤光栅、用于温度补偿的光纤光栅、金属板与金属弹性元件材质相同、金属外保护壳、预留孔洞；

金属外保护壳为u形槽，u形槽开口处设有金属刚性盖板，u形槽内底部设有金属板，在u形槽的侧壁上开设有预留孔洞；金属刚性盖板受到竖向荷载，通过传力杆将竖向荷载传递给铰链，铰链通过刚性传力板将竖向荷载通过插销转化为水平推力，水平推力作用刚性传力板使推动辊轴向外滚动，金属弹性元件两端与辊轴轴接，承受水平方向拉力，用于测量压力的光纤光栅与金属弹性元件产生协同应变，引起波长变化，粘贴在金属板上用于温度补偿的光纤光栅对测量压力的光纤光栅进行温度实时补偿，从而实现压力的精确测量。

铰链的水平顶部留有圆形凹槽，使得传力杆紧扣在内，实现压力的传递。

铰链与传力板通过插销连接，传力板与金属弹性元件通过插销连接成铰接形式，形成拱梁组合结构。

测量压力的光纤光栅沿纵向粘贴于弹性元件下端的中心部位，用于温度补偿的光纤光栅以同样方式粘贴于金属板上端，对测量压力的光纤光栅进行温度实时补偿。

辊轴通过插销与传力板和金属弹性元件连接，水平推力作用下辊轴向外滚动，实现弹性元件水平方向拉伸。

本发明的优点是：

1、本发明中金属弹性元件与传力板之间通过插销连接，形成拱梁组合结构，基于拱梁组结构的自平衡体系原理，拱的水平推力将由弹性元件承受，此时，弹性元件受拉使得粘贴在弹性元件中央的压力测量光纤光栅产生应变，应变使光纤光栅产生波长变化。满足一定测量范围内，达到结构简单、灵敏度高、耐久性好、同时具有高精度及线性度的拱式光纤光栅压力传感器。

2、本发明中通过插销将辊轴、弹性元件两端和传力板的两端连接在一起，传力板将竖向荷载转化为水平推力推动辊轴向外微小滚动，避免金属弹性元件与金属外保护壳底板产生较大摩擦而导致较大的测量误差，从而提高测量的准确性。

3、本发明中由于光纤光栅的温度和应变的交叉敏感特性，用于测量压力的光纤光栅在产生应变的同时受温度变化影响较大，本发明针对这一问题将测量压力的光纤光栅沿纵向粘贴于弹性元件下端的中心部位，用于温度补偿的光纤光栅采用相同的方式粘贴在与金属弹性元件同种材料的金属板上，在长期的压力监测中实现温度实时补偿，降低压力测量误差，提高测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的三维结构剖视图。

图4是本发明的拱梁组合结构三维图。

附图标记：金属刚性盖板1、传力杆2、铰链3、插销4、传力板5、金属弹性元件6、辊轴7、用于压力测量的光纤光栅8、用于温度补偿的光纤光栅9、金属板10、金属外保护壳11、预留孔洞12。

具体实施方式

下面结合附图1-4和实施例对本发明进一步说明。

一种拱式光纤光栅压力传感器，包括：金属刚性盖板1、传力杆2、铰链3、插销4、传力板5、金属弹性元件6、辊轴7、用于测量压力的光纤光栅8、用于温度补偿的光纤光栅9、金属板10与金属弹性元件材质相同、金属外保护壳11、预留孔洞12；

金属外保护壳11为u形槽，u形槽开口处设有金属刚性盖板1，u形槽内底部设有金属板10，在u形槽的侧壁上开设有预留孔洞12；金属刚性盖板1受到竖向荷载，通过传力杆2将竖向荷载传递给铰链3，铰链3通过刚性传力板5将竖向荷载通过插销4转化为水平推力，水平推力作用刚性传力板5使推动辊轴7向外滚动，金属弹性元件6两端与辊轴7轴接，承受水平方向拉力，用于测量压力的光纤光栅8与金属弹性元件6产生协同应变，引起波长变化，粘贴在金属板10上用于温度补偿的光纤光栅9对测量压力的光纤光栅8进行温度实时补偿，从而实现压力的精确测量。

铰链3的水平顶部留有圆形凹槽，使得传力杆2紧扣在内，实现压力的传递。

铰链3与传力板5通过插销4连接，传力板5与金属弹性元件6通过插销4连接成铰接形式，形成拱梁组合结构。

测量压力的光纤光栅8沿纵向粘贴于弹性元件6下端的中心部位，用于温度补偿的光纤光栅9以同样方式粘贴于金属板10上端，对测量压力的光纤光栅进行温度实时补偿。

辊轴7通过插销4与传力板5和金属弹性元件6连接，水平推力作用下辊轴7向外滚动，实现弹性元件6水平方向拉伸。

实施例

本发明是一种拱式光纤光栅压力传感器，包括金属刚性盖板、传力杆、铰链、插销、传力板、金属弹性元件、辊轴、用于压力测量的光纤光栅、用于温度补偿的光纤光栅、金属板(与金属弹性元件同一材质)、金属外保护壳等。金属外保护壳和金属刚性盖板采用不锈钢材料对传感元件实行封闭式保护，提高传感器的耐腐蚀能力和使用寿命；金属刚性盖板与拱式结构顶部通过传力杆采用套扣形式连接，其自重由拱式结构承担；拱式结构采用折线形式的拱轴，由传力板、金属弹性元件和铰链铰接组成，避免传力过程中受到弯矩和剪力的影响；传力板与金属弹性元件通过插销连接在一起，构成拱梁组合结构用于压力测量的光纤光栅粘贴在弹性元件下端的中心部位，用于温度补偿的光纤光栅粘贴在与弹性元件同一种材质的金属板的中心上，对其进行温度补偿；在产生水平推力时，辊轴向外产生微小的滚动，使得金属弹性元件产生水平拉应力，引起测量压力的光纤光栅波长变化，通过光纤连接到解调仪上，光纤光栅解调仪读取光栅波长的变化，进而得出压力与波长变化之间的关系。

本发明是一种拱式光纤光栅压力传感器，其对压力进行测量或监测的基本原理：

设三铰拱由铰支座a、b和顶端铰c组成，拱的跨度为l，拱的矢高为f，其支座反力用va、vb表示，h表示三铰拱的水平推力；三铰拱对应的简支梁的支座反力分别由表示，x表示距支座a的距离，y表示x处对应的拱的高度。

根据力学公式推导，三铰拱在竖向荷载作用下支座反力为：

其中，—三铰拱对应的简支梁在中点c处的弯矩

三铰拱在竖向荷载作用下的弯矩值为：

m＝m⁰-hy(2)

其中，m⁰—三铰拱对应的简支梁任意截面的弯矩

采用合理拱轴结构时，由m＝0得合理拱轴线方程为：

由式(1)得三铰拱在集中荷载作用f下：

由式(1)得，支座反力为：

对应的简支梁任一截面的弯矩值为：

由式(5)得，截面c处的弯矩值为：

由式(1)、(6)得，水平推力为：

则，集中荷载f作用下对称三铰拱的合理拱轴线方程为：

用于压力测量的光纤光栅受应变及温度的影响，即：

其中，—光纤光栅应变灵敏度系数；αt1—光纤光栅温度灵敏度系数

不受力的温度补偿光栅中心波长变化值仅与温度有关，则：

δλb2＝αt2·δt(10)

对于同批次光纤光栅，在一定误差范围内认为

αt1＝αt2(11)

则，光纤光栅产生的应变量为：

设弹性元件的截面尺寸为b×h,则在水平推力h的作用下，弹性元件的应力为：

相应的应变为：

由ε＝ε1得压力传感器的灵敏度系数为：

因此，在集中荷载作用下光纤光栅压力传感器的压力灵敏度系数为：

由式(7)(12)(14)得：

式(17)即为光纤光栅波长漂移量δλb与结构所受压力f之间的关系式。

由理论推导知，当拱矢高f,拱的跨度l一定时，y为x的线性函数，即三铰拱在集中力作用下的合理拱轴为折线形式。本发明将倾斜传力板与水平铰链之间、倾斜传力板与金属弹性元件之间均采用铰接形式连接，其有益效果是力的传递环节少，结构形式简单，接近理论上计算的简化模型，同时满足在力的传递过程中不受弯矩和剪力的耗能影响，提高测量的精度与准确度。

由于光纤光栅的温度和应变的交叉敏感特性，用于测量压力的光纤光栅在产生应变的同时受温度变化影响较大，本发明针对这一问题将测量压力的光纤光栅沿纵向粘贴于弹性元件下端的中心部位，用于温度补偿的光纤光栅采用相同的方式粘贴在与金属弹性元件同种材料的金属板上，在长期的压力监测中实现温度实时补偿，降低压力测量误差，提高测量的准确性。

本发明采用光纤光栅传感原理，在对实际工程的压力监测过程中可以避免电磁对其的干扰；本发明的拱式光纤光栅压力传感器结构形及传力机理简单，使得压力的测量具有良好的线性度；本发明的拱式光纤光栅压力传感器考虑了光纤光栅温度与应变的交叉敏感特性，在长期压力监测中，实现精确测量。因此，本发明的拱式光纤光栅压力传感器可以埋设于道路或桥梁内用于测量车载压力，可以在施工过程中用于测量土体压力，以及对综合管廊承载力的实时监测等，具有广阔的工程应用范围。