一种用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器

1.本发明涉及一种用于监测桥梁桥墩周围流水流向的光纤传感器， 属于测量技术领域。


背景技术：

2.近年来，我国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就。桥梁的建设 是在不断对抗外界破坏的过程中发展起来的，自然环境作用下，水流 是引起桥梁结构破坏的主要原因之一。实际水流超出桥梁建设设计标 准值水流将冲刷桥面，可能会损坏桥面板内部结构，影响结构的耐久 性和稳定性。因此，实时监测水流的流向，并及时对结构进行养护维 修，有利于提高结构的使用年限。
3.目前，用于监测流体流向的传感器有机械式、热线式、电磁式、 多普勒光学式、射线辐射式。常用的传热式微流体传感器原理是利用 外界物理量改变流场内温度分布的变化，并将温度变化转换为电信号 输出，存在功耗大、响应时间长等问题。机械式流向传感器利用机械 转子旋转测量流体流向，灵敏度较低。电磁式流向传感器是一种利用 电磁感应定律来测定流速的传感器，对磁场分布要求较高。射线辐射 传感器是一种利用放射性同位素进行测量的传感器，通常不适用于定 点监测。
4.由于水上结构所处水流环境的复杂性，导致水流流向测量困难。 近年来，光纤凭借体积小、灵敏度高、精确度高、抗电磁干扰、小巧 轻便等优点被广泛运用于测量技术领域。因此，设计一种精度高、稳 定性好、可实时监测的水流流向光纤传感器十分必要，可以为水上结 构的建设和安全服役提供技术支持。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于监测桥墩周围水流 流向的光纤传感器，其目的是对大跨径桥梁所处水流流向进行实时监 测，从而避免安全事故发生，提高水上结构的使用年限。
6.本发明的技术方案：
7.一种用于监测水流流向的光纤传感器包括光纤1、台阶式镜面2、 流向尾舵3、金属底座4、光纤保护铠甲5、光纤固定卡箍6、内圆柱 体7、流向轴8、流向标9、外空心圆筒10、轴承11。
8.设计方案一：
9.所述的光纤1通过光纤固定卡箍6固定于外空心圆筒10顶端， 光纤固定卡箍6与外空心圆筒10的轴线角度和台阶式镜面2的倾斜 角一致，这样使得光纤1端头在外空心圆筒10转动过程中始终与台 阶式镜面2保持垂直。光纤1的初始位置位于内圆柱体7的上表面台 阶式镜面2的圆周外侧，且与内圆柱体7保持一定的距离。
10.所述的光纤保护铠甲5用来保护光纤1；
11.所述的金属底座4、内圆柱体7、外空心圆筒10和轴承11同心、 同轴，台阶式镜面2
与外空心圆筒10的顶端保持一定距离；
12.所述的流向尾舵3、流向轴8、流向标9与外空心圆筒10可通过 焊接的方式连接，流向尾舵3、流向轴8和流向标9位于同水平方向；
13.所述的金属底座4的底面半径大于外空心圆筒10的底面半径， 外空心圆筒10和内圆柱体7底面平齐，外空心圆筒10的高度高于内 圆柱体7；
14.所述的台阶式镜面2可以采用真空金属溅射或者打磨抛光，台阶 式镜面2的倾斜角度可调；
15.所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随 着水流流向发生转动，带动外空心圆筒10随之发生转动，进一步引 起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
16.所述的金属底座4、外空心圆筒10、轴承11使整个监测装置密 封，保护了光纤法珀干涉仪；
17.所述的轴承11位于外空心圆筒10底面，通过对金属底座4开凿 设置轴承11来支撑和传动外空心圆筒10；
18.所述的流向尾舵3、流向轴8和流向标9构成了流体指向标，旋 转角度为360
°
；
19.所述的内圆柱体7的圆柱半径、台阶式镜面2的倾斜角度、光纤 1端面到内圆柱体7的距离和流向轴8的长度可根据所需灵敏度进行 调整。
20.设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
21.所述的光纤1和光纤保护铠甲5穿过金属底座4和内圆柱体7， 与台阶式镜面2形成法珀腔，光纤1位于台阶式镜面2圆周外侧下方；
22.所述的光纤1与台阶式镜面2的倾斜角一致，这样使得光纤1端 头在外空心圆筒10转动过程中始终与台阶式镜面2保持垂直；
23.所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随 着流体流向发生转动，带动台阶式镜面2随之发生转动，进一步引起 光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变。
24.本发明工作原理：
25.将本发明放入被测桥墩周围水流中，水流流动使流体指向标发生 相应转动，引起台阶式镜面2和光纤端面构成的法珀腔长发生改变， 通过光谱仪监测腔长的变化量，从而判断水流流动的方向。本发明的 核心是法珀光纤传感器的工作原理，法珀腔由台阶式镜面2和光纤端 面形成，入射光在光纤1中传播，第一次与光纤端面发生参考光反射， 第二次与台阶式镜面2发生传感反射，反射光产生干涉信号i的强度 表达式为：
[0026][0027]
式中，i1和i2分别为两反射面输入反射光的光强；n为中间介质(空 气)折射率；δ为法珀干涉腔腔长；λ为波长，为两束反射光的相 位差。
[0028]
光纤1的端头与内圆柱体7轴心间距为r，台阶式镜面2倾斜角 为β，光纤1的初始位置与台阶式镜面2初始间距(初始腔长)为δ0。 当流向测试仪转动角度θ时，法珀腔腔长δδ和流向测试仪转角θ之 间的关系可以表示为：
[0029][0030]
基于上述原理，可以通过法珀腔腔长δδ的变化判断流向测试仪 的转动角度θ。
[0031]
本发明的有益效果：
[0032]
(1)本发明通过监测法珀光纤传感器腔长的变化量，实现对桥 梁桥墩所处周围流水流向的实时监测；
[0033]
(2)本发明可以通过改变内圆柱体的圆柱半径、台阶式镜面的 倾斜角度、光纤端面到内圆柱体的距离和流向轴的长度来满足实际工 程所需灵敏度；
[0034]
(3)本发明的流向测试仪旋转角度为360
°
，可实现360
°
不定向 水流流向的监测功能；
[0035]
(4)本发明结构简单、价格低廉、适用性强，具有广阔的应用 前景和推广市场。
附图说明
[0036]
图1为本发明用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器的两种结 构示意图；
[0037]
图2为两种用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器结构的a-a 剖面图；
[0038]
图3为两种用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器结构的b-b 剖面图；
[0039]
图4为本发明应用于桥梁桥墩所处流水流速监测的放置示意图。
[0040]
图中：1光纤；2台阶式镜面；3流向尾舵；4金属底座；5光纤 保护铠甲；6光纤固定卡箍；7内圆柱体；8流向轴；9流向标；10 外空心圆筒；11轴承。
具体实施方式
[0041]
以下将结合附图，对监测桥梁桥墩周围流水流向的光纤传感器具 体实施方式进行说明。
[0042]
如图所示，本发明提供一种用于监测桥梁桥墩周围流水流向的光 纤传感器包括光纤1、台阶式镜面2、流向尾舵3、金属底座4、光纤 保护铠甲5、光纤固定卡箍6、内圆柱体7、流向轴8、流向标9、外 空心圆筒10、轴承11。
[0043]
针对设计方案一：
[0044]
所述的光纤1通过光纤固定卡箍6固定于外空心圆筒10顶端， 光纤固定卡箍6与外空心圆筒10的轴线角度和台阶式镜面2的倾斜 角一致，这样使得光纤1端头在外空心圆筒10转动过程中始终与台 阶式镜面2保持垂直。光纤1的初始位置位于内圆柱体7的上表面台 阶式镜面2的圆周外侧，且与内圆柱体7保持一定的距离。
[0045]
所述的光纤保护铠甲5用来保护光纤1；
[0046]
所述的金属底座4、内圆柱体7、外空心圆筒10和轴承11同心、 同轴，台阶式镜面2与外空心圆筒10的顶端保持一定距离；
[0047]
所述的流向尾舵3、流向轴8、流向标9与外空心圆筒10可通过 焊接的方式连接，流向尾舵3、流向轴8和流向标9位于同水平方向；
[0048]
所述的金属底座4的底面半径大于外空心圆筒10的底面半径， 外空心圆筒10和内圆柱体7底面平齐，外空心圆筒10的高度高于内 圆柱体7；
[0049]
所述的台阶式镜面2可以采用真空金属溅射或者打磨抛光，台阶 式镜面2的倾斜
角度可调；
[0050]
所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随 着水流流向发生转动，带动外空心圆筒10随之发生转动，进一步引 起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
[0051]
所述的金属底座4、外空心圆筒10、轴承11使整个监测装置密 封，保护了光纤法珀干涉仪；
[0052]
所述的轴承11位于外空心圆筒10底面，通过对金属底座4开凿 设置轴承11来支撑和传动外空心圆筒10；
[0053]
所述的流向尾舵3、流向轴8和流向标9构成了流体指向标，旋 转角度为360
°
；
[0054]
所述的内圆柱体7的圆柱半径、台阶式镜面2的倾斜角度、光纤 1端面到内圆柱体7的距离和流向轴8的长度可根据所需灵敏度进行 调整。
[0055]
设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
[0056]
所述的光纤1和光纤保护铠甲5穿过金属底座4和内圆柱体7， 与台阶式镜面2形成法珀腔，光纤1位于台阶式镜面2圆周外侧下方；
[0057]
所述的光纤1与台阶式镜面2的倾斜角一致，这样使得光纤1端 头在外空心圆筒10转动过程中始终与台阶式镜面2保持垂直；
[0058]
所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随 着流体流向发生转动，带动台阶式镜面2随之发生转动，进一步引起 光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变。
[0059]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不 使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。