專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖光柵壓力測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦山壓力檢測(cè)儀器，尤其涉及一種大量程、高精度的礦山壓力檢測(cè)儀器。
背景技術(shù)：
在煤礦采掘過(guò)程中，破壞了巖體與煤層的力學(xué)平衡，在采掘工作面周?chē)纬闪恕暗V山壓力”，又稱(chēng)“頂板壓力”。頂板事故就是由于頂板壓力壓垮支護(hù)而造成巷道或工作面的垮冒，這極易造成人員傷亡。出于頂板事故造成的人員傷亡人數(shù)占我國(guó)煤礦生產(chǎn)事故傷亡人數(shù)的三分之一左右，超過(guò)瓦斯事故死亡人數(shù)而居首位。目前，用于礦山壓力檢測(cè)的主要儀器按其工作原理可分為機(jī)械式、液壓式、電阻應(yīng)變式、振弦式等。機(jī)械式和液壓式礦壓觀測(cè)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)較低，但存在響應(yīng)速度慢、精度不高、體積大等缺點(diǎn)；電阻應(yīng)變式傳感器是基于金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化這一電阻應(yīng)變效應(yīng)而制作的，它比機(jī)械式、液壓式傳感器更靈敏、精確，但該類(lèi)傳感器存在對(duì)溫度比較敏感、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；振弦式傳感器在80年代初研制成功并獲得了應(yīng)用，它是利用鋼弦在不同張力作用下，具有不同的固定頻率這一原理實(shí)現(xiàn)力的檢測(cè)，是目前礦壓檢測(cè)中最常用的儀器，但該類(lèi)傳感器仍存在精度不高、響應(yīng)速度較慢等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光柵壓力測(cè)量方法及裝置，其具有光纖光柵壓力傳感器的高精度和力變換裝置實(shí)現(xiàn)的大量程等優(yōu)點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所述的方法包括以下步驟1、制作一種固定光纖光柵傳感部分的活塞—液體—活塞機(jī)械結(jié)構(gòu)；2、制作出只對(duì)壓力敏感的光纖光柵傳感部分；3、建立壓力與光纖光柵布拉格波長(zhǎng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即壓力對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的編碼調(diào)制模型；4、制作出光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)；5、通過(guò)光纖布拉格波長(zhǎng)的變化與壓力的關(guān)系，以及兩活塞的面積之比，計(jì)算出待測(cè)壓力的大小。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括基座，基座內(nèi)開(kāi)設(shè)有腔室，基座的上部開(kāi)設(shè)有臺(tái)階孔，臺(tái)階孔與基座內(nèi)的腔室連通，臺(tái)階孔內(nèi)設(shè)置有上活塞和下活塞，上活塞和下活塞之間充滿(mǎn)液體，臺(tái)階孔的底部設(shè)置有彈性膜，彈性膜的下表面設(shè)置有光纖光柵。
上述上活塞的橫截面積大于下活塞的橫截面積。
上述下活塞的下端為球面形。
上述腔室的頂面以臺(tái)階孔的中軸線(xiàn)為中心，向下突起形成一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)上套置有柱形的彈性膜。
上述彈性膜的下表面上設(shè)置有以臺(tái)階孔的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的光纖固定柱，光纖光柵固定在光纖固定柱上。
上述液體為液壓油。
上述腔室的側(cè)壁上開(kāi)有通孔。
本發(fā)明的有益效果是利用“活塞—液體—活塞”力變換裝置實(shí)現(xiàn)了被側(cè)力的線(xiàn)性變換，變換比例為上活塞和下活塞的橫截面面積之比，并由下活塞將比例變換后的力傳送至光纖光柵，力的變化使得光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變，反映到光纖光柵的參數(shù)變化，從而改變光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)，然后可利用壓力大小和光柵布拉格中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的值來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)力的大小，具有測(cè)量精度高、量程大等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述的光纖光柵壓力測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，如圖1所示，制作一種固定光纖光柵傳感部分的活塞—液體—活塞機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)包括基座1，基座1內(nèi)開(kāi)設(shè)有腔室2，基座1的上部開(kāi)設(shè)有與腔室2相通的臺(tái)階孔3，臺(tái)階孔3內(nèi)設(shè)置有上活塞4和下活塞5，上活塞4的橫截面積大于下活塞5的橫截面積，上活塞4與下活塞5之間充滿(mǎn)液壓油6，下活塞5的下端為球面形，腔室2的頂面以臺(tái)階孔3的中軸線(xiàn)為中心，向下突起形成一個(gè)凸臺(tái)21，凸臺(tái)21上套置有柱形的彈性膜7，下活塞5的下端可與彈性模7相接觸；刻制光纖光柵，并對(duì)光纖光柵無(wú)源溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，制作出只對(duì)壓力敏感的高精度、高靈敏度的光纖光柵9，彈性模7的下表面上設(shè)置有以臺(tái)階孔3的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的兩個(gè)光纖固定柱8，兩個(gè)光纖固定柱8之間固定有光纖光柵9，光纖光柵9穿過(guò)開(kāi)設(shè)在基座1側(cè)壁上的通孔10與外部相連。
根據(jù)“活塞—液體—活塞”力線(xiàn)性變換的原理，被測(cè)壓力作用在上活塞上，設(shè)上活塞上的作用壓力F1，活塞I面積S1，經(jīng)過(guò)液體將壓強(qiáng)P=F1S1]]>傳遞給下活塞，設(shè)下活塞上的作用力F2，小活塞面積S2，F(xiàn)2=P·S2=S2S1F1=KF1,(K<1),]]>下活塞力的變化影響到光纖光柵的應(yīng)變。光纖光柵中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化是嚴(yán)格線(xiàn)性的，變化公式如下ΔλB=2nΛ[1-(n22)[p12-v(p11+p12)]]ϵ=λBKϵϵ,]]>式中Kε為光纖光柵的溫度靈敏度和應(yīng)變靈敏度，p11和p12為光纖材料的彈光系數(shù)，ε是作用在光柵上的應(yīng)力的大小。因此，被測(cè)壓力與光纖光柵中心波長(zhǎng)具有線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)這種線(xiàn)性關(guān)系，建立起壓力與光纖光柵布拉格波長(zhǎng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即壓力對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的編碼調(diào)制模型。通過(guò)對(duì)可調(diào)諧光纖F-P濾波器解調(diào)法，邊緣濾波解調(diào)法，匹配光纖光柵濾波解調(diào)等光信號(hào)處理方法及電信號(hào)解調(diào)法等進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究出適合礦壓檢測(cè)的大量程高精度光纖光柵壓力傳感器的最優(yōu)解調(diào)方案，并制作出光纖光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)。通過(guò)光纖布拉格波長(zhǎng)的變化與壓力的關(guān)系，以及兩活塞的面積之比，計(jì)算出待測(cè)壓力的大小。
權(quán)利要求
1.光纖光柵壓力測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟(1)制作一種固定光纖光柵傳感部分的活塞—液體—活塞機(jī)械結(jié)構(gòu)；(2)制作出只對(duì)壓力敏感的光纖光柵傳感部分；(3)建立壓力與光纖光柵布拉格波長(zhǎng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，即壓力對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的編碼調(diào)制模型；(4)制作出光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)；(5)通過(guò)光纖布拉格波長(zhǎng)的變化與壓力的關(guān)系，以及兩活塞的面積之比，計(jì)算出待測(cè)壓力的大小。
2.實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于包括基座，基座內(nèi)開(kāi)設(shè)有腔室，基座的上部開(kāi)設(shè)有臺(tái)階孔，臺(tái)階孔與基座內(nèi)的腔室連通，臺(tái)階孔內(nèi)設(shè)置有上活塞和下活塞，上活塞和下活塞之間充滿(mǎn)液體，臺(tái)階孔的底部設(shè)置有彈性膜，彈性膜的下表面設(shè)置有光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述上活塞的橫截面積大于下活塞的橫截面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述下活塞的下端為球面形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述腔室的頂面以臺(tái)階孔的中軸線(xiàn)為中心，向下突起形成一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)上套置有柱形的彈性膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述彈性膜的下表面上設(shè)置有以臺(tái)階孔的中軸線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸的光纖固定柱，光纖光柵固定在光纖固定柱上。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述液體為液壓油。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述腔室的側(cè)壁上開(kāi)有通孔。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種光纖光柵壓力測(cè)量方法及裝置，利用“活塞—液體—活塞”力變換裝置實(shí)現(xiàn)被測(cè)力的線(xiàn)性變換，變換比例為上下活塞面積之比，并由下活塞將比例變換后的力傳送至小量程的光纖光柵，力的變化使得光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變，反映到光纖光柵的參數(shù)變化，從而改變光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)，建立起壓力大小和光柵中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，然后可通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的值來(lái)測(cè)量對(duì)應(yīng)力的大小。具有量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/18GK101046418SQ200710014559
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者曹茂永, 李麗君, 孫農(nóng)亮, 李晶, 范迪, 梁慧斌 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)