專利名稱：工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工程化高耐久性光纖
光柵靜力水準(zhǔn)儀。
背景技術(shù)：
橋梁結(jié)構(gòu)的幾何變位是反映橋梁體系受力狀態(tài)的重要參量。其中基礎(chǔ)不均勻沉降 會引起主梁邊界條件的顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致主梁產(chǎn)生附加內(nèi)力及偏離原來的合理線形，對 橋梁的安全性和使用性都造成不利影響；主梁線形是基礎(chǔ)沉降、錨索張力(斜拉橋、懸索橋 體系)和自身剛度退化多因素共同作用的結(jié)果，是反映橋梁健康狀態(tài)的一個綜合性指標(biāo)， 同時主梁線形還與路面平順性密切相關(guān)，影響橋梁的使用性能。因此，基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測 和主梁線形監(jiān)測是許多橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 目前適用于結(jié)構(gòu)位移長期監(jiān)測(包括基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測和主梁線形監(jiān)測)的方 法有GPS、全站儀和靜力水準(zhǔn)儀等。GPS監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得實(shí)時的站點(diǎn)位置三維空間坐 標(biāo)，監(jiān)測結(jié)果基本不受惡劣天氣的影響；其缺點(diǎn)有精度尚待進(jìn)一步提高、設(shè)備昂貴以及對遮 蔽物要求嚴(yán)格不適合用于基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測等。利用全站儀監(jiān)測結(jié)構(gòu)位移只需要在結(jié)構(gòu)測點(diǎn) 上安裝反射棱鏡，全站儀逐一掃描各個反射棱鏡的位置并記錄棱鏡中心的三維坐標(biāo)，全部 測量過程可以通過設(shè)定的機(jī)載程序驅(qū)動全站儀馬達(dá)自動完成。該方法的優(yōu)點(diǎn)是只要通視條 件滿足一部全站儀可以測量任意多位置的三維坐標(biāo)，其缺點(diǎn)是測量結(jié)果的實(shí)時性和同步性 差，且嚴(yán)重受天氣條件的制約。靜力水準(zhǔn)儀是基于連通器原理監(jiān)測結(jié)構(gòu)在豎直方向上的相 對位移，雖然監(jiān)測信息遠(yuǎn)不及GPS監(jiān)測信息豐富，但是所獲信息已能夠滿足監(jiān)測目的的要 求。綜合比較，靜力水準(zhǔn)儀因精度高、造價低、對安裝位置和環(huán)境要求低、實(shí)時采集數(shù)據(jù)等優(yōu) 點(diǎn)，獲得橋梁工程師的青睞，成為應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測手段。 然而，傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)儀存在長期穩(wěn)定性差、難于組建傳感網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)距離傳輸信號 衰減嚴(yán)重等局限性。不能滿足對結(jié)構(gòu)位移長期監(jiān)測的要求。因此，能夠長期可靠地監(jiān)測結(jié) 構(gòu)位移的新型靜力水準(zhǔn)儀成為健康監(jiān)測領(lǐng)域追求的目標(biāo)。近期飛速發(fā)展的光纖光柵傳感技 術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了良好的技術(shù)手段。作為敏感元件光纖光柵具有高精度、耐腐蝕、抗 電磁干擾、集"傳"與"感"于一體，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光纖光 柵靜力水準(zhǔn)儀的開發(fā)將具有重大的工程意義，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、溫度自補(bǔ)償、耐久性與靈敏度高、布設(shè) 方便的工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀。 本實(shí)用新型提出的工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀，由剛性橫梁1、連通管 2、容器3、光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器4、光纖光柵應(yīng)變傳感器5、傳感器固定框6及連接梁7 組成，剛性橫梁1通過鋼絞線懸吊于結(jié)構(gòu)物的底部，連通管2在剛性橫梁1左右各1根，兩 根連通管2通過剛性橫梁1連接，容器3頂板上開有兩個圓形孔，兩根連通管2分別穿過圓形孔延伸至容器3內(nèi)部，連通管2管口與容器3底壁間留有一定距離；剛性橫梁1和傳感器 固定框6通過鋼絞線連接，光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器4 一端固定于傳感器固定框6的側(cè)壁 上、另一端自由不受約束；傳感器固定框6下方連接有光纖光柵應(yīng)變傳感器5 ;光纖光柵應(yīng) 變傳感器5底部通過連接梁7與容器3頂板連接，且光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器4、光纖光柵 應(yīng)變傳感器5及容器3三者的重心在同一鉛直線上。 本實(shí)用新型中，相鄰的靜力水準(zhǔn)儀通過連通管2連接構(gòu)成連通器，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形導(dǎo) 致水準(zhǔn)儀測點(diǎn)的相對位置發(fā)生變化時，相互連通的靜力水準(zhǔn)儀的容器內(nèi)液面仍會保持在相 同的水平高度。因此，測點(diǎn)之間的相對位移可以用靜力水準(zhǔn)儀容器中液體深度的差值來度 量。上述是所有靜力水準(zhǔn)儀的基本工作原理，各種類型靜力水準(zhǔn)儀的區(qū)別在于如何測量容 器中液體深度，區(qū)分水準(zhǔn)儀性能優(yōu)劣的關(guān)鍵也在于此。 本實(shí)用新型采用稱重方法測量液體深度，這種方法最簡單，同時也最準(zhǔn)確，但是需 要克服兩個困難才能達(dá)到精確測量容器中液體深度的目的①必須始終保持靜力水準(zhǔn)儀處 于鉛直方向；②必須排除連通管對重力測量的影響。正是因?yàn)檫@兩個困難，水準(zhǔn)儀家族中一 直沒有基于稱重方法的產(chǎn)品出現(xiàn)。本實(shí)用新型采用了如下的設(shè)計克服前述困難①連通管 及其固定裝置位于稱重傳感器之上，其重力由結(jié)構(gòu)物承擔(dān)，不干擾對容器和容器中液體重 力的測量；②剛性橫梁與結(jié)構(gòu)及稱重傳感器之間都采用鋼絞線連接，采用柔性約束保證懸 吊的對稱結(jié)構(gòu)處于鉛直方向。 通過簡單的力學(xué)分析可知容器中液體深度發(fā)生變化時應(yīng)變傳感器對應(yīng)的應(yīng)變量
為
表的意義如下
由光纖光柵傳感原理有光纖光^
f波長漂移^ = A
+ 7^/^公式中各變量代
e應(yīng)變傳感器的應(yīng)變 s容器截面面積 g重力加速度 a入光纖光柵的波長漂移
KE應(yīng)變一波長靈敏度系數(shù)
P液體密度
h液體深度變化量
ea應(yīng)變傳感器的抗拉剛度
入光纖光柵的諧振波長 KT溫度一波長靈敏度系數(shù)
△ t溫度變化 應(yīng)變傳感器同時受到因容器和液體的重力產(chǎn)生的拉力與溫度變化兩種作用，其 波長漂移還不是容器中液體深度變化的直接度量，必須剝離溫度效應(yīng)，才能建立光柵波 長漂移與液體深度變化的聯(lián)系。溫度傳感器與應(yīng)變傳感器完全相同，只是單端固定而不 受軸向拉力作用，其波長漂移完全由溫度變化引起。溫度傳感器與應(yīng)變傳感器處于相同 的溫度場，對溫度變化有相同的反映。因此，溫度傳感器波長漂移可以補(bǔ)償應(yīng)變傳感器 波長漂移中由溫度變化引起的部分。綜上所述，傳感器輸出與液體深度變化的關(guān)系為<formula>formula see original document page 4</formula>本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 結(jié)構(gòu)簡單，傳感誤差易控制；
2、 繼承了光纖光柵傳感的優(yōu)勢，精度高，長期耐久性好；
3、 量程和靈敏度的優(yōu)化可以通過改變?nèi)萜鞯母叨扰c截面面積輕松實(shí)現(xiàn)；
4、 與結(jié)構(gòu)通過鋼絞線連接符合傳感器布設(shè)對高程的要求，安裝方便。
圖1為本實(shí)用新型的主要組成配件。
圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標(biāo)號1為剛性橫梁，2為連通管，3為容器，4為光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器，5 為光纖光柵應(yīng)變傳感器，6為傳感器固定框，7為連接梁。
具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
實(shí)施例1 : 剛性橫梁1的主體是長108mm、寬8mm、高20mm的長方體，其長度方向的兩端有用 于固定連通管的環(huán)扣。連通管2有2根，分別固定在剛性橫梁的左右兩側(cè)，其內(nèi)徑為20mm， 外徑為24mm。連通管沿軸線可分為3段，第一段為直管、長500mm，第二段為彎管、彎曲半徑 為50mm、轉(zhuǎn)角為90。，第三段為直管，長100mm。容器3的長、寬、高均為300mm，壁厚5mm， 容器3的頂板為長340mm、寬340mm、厚5mm的方形板，板上設(shè)有直徑30mm圓孔，兩個孔圓心 的位置為距橫邊170mm，距離最近的縱邊100mm。光纖光柵溫度傳感器4與光纖光柵應(yīng)變傳 感器5是型號形同的光纖光柵傳感器，只是被賦予不同的職能。其外觀形狀是直徑10mm， 長120mm的圓柱體。在傳感器兩端外表面刻有15mm用于固定的螺紋。傳感器固定框6為 結(jié)構(gòu)簡單的金屬框，其外側(cè)長80mm，寬40mm，厚20mm。頂壁和底壁的厚度為10mm，側(cè)壁厚度 為5mm。在側(cè)壁上留有固定光纖光柵溫度傳感器4的圓孔、直徑110mm，孔圓心距頂壁內(nèi)側(cè) 30m。在底壁的中心亦留有直徑110mm的圓孔，用于固定光纖光柵應(yīng)變傳感器5。連接梁7 為連接容器3的頂板和光纖光柵應(yīng)變傳感器5而設(shè)，其厚度為5mm、寬度為20mm、立面形狀 可分5段，各段的長度分別是20mm、30mm、95mm、30mm、20mm。 如圖1和圖2所示，本裝置由剛性橫梁1、連通管2、容器3、光纖光柵溫度補(bǔ)償傳 感器4和光纖光柵應(yīng)變傳感器5、傳感器固定框6及連接梁7組成，剛性橫梁1通過鋼絞線 懸吊于結(jié)構(gòu)物的底部，剛性橫梁1的兩側(cè)各固定連通管2—根，容器3的頂板開有兩個直徑 稍大于連通管2的圓形孔，連通管2穿過圓形孔延伸至容器3內(nèi)部，連通管2管口與容器3 底壁留有一定距離。光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器4和光纖光柵應(yīng)變傳感器5由傳感器固定框 6連接構(gòu)成稱重傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)上部通過鋼絞線與剛性橫梁1連接，下部通過連接梁與 容器3的頂板相連、光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器4與光纖光柵應(yīng)變傳感器5三者焊接在一起， 焊接位置需保證容器重心和稱重傳感器系統(tǒng)重心在同一鉛直線上。 本實(shí)用新型的工作過程如下 相鄰的靜力水準(zhǔn)儀通過連通管2連接構(gòu)成連通器，結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致水準(zhǔn)儀測點(diǎn)的相 對位置發(fā)生變化時，相互連通的靜力水準(zhǔn)儀的容器3內(nèi)液面始終保持在相同的水平高程， 但是每一靜力水準(zhǔn)儀的容器3內(nèi)液體的深度會發(fā)生變化。由于容器通過連接梁7與光纖光 柵應(yīng)變傳感器5相連，容器3內(nèi)液體深度增大(減小)，施加給光纖光柵應(yīng)變傳感器5的拉 力會隨之增大(減小)，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器敏感元件光纖光柵發(fā)生的應(yīng)變增大(減小)。根據(jù) 光纖光柵的工作原理，光纖光柵應(yīng)變傳感器5會輸出與此應(yīng)變變化量成正比的波長漂移。 綜上所述，光纖光柵應(yīng)變傳感器5輸出的波長漂移表征容器3內(nèi)液體深度的變化。但是光纖光柵應(yīng)變傳感器5同時受到拉力與溫度變化兩種作用，其波長漂移還不是容器中液體深 度變化的直接度量，必須剝離溫度效應(yīng)，才能建立光柵波長漂移與液體深度變化的聯(lián)系。光 纖光柵應(yīng)變傳感器4與光纖光柵應(yīng)變傳感器5完全相同，只是單端固定而不受軸向拉力作 用，其波長漂移完全由溫度變化弓I起。溫度傳感器與應(yīng)變傳感器處于相同的溫度場，對溫度 變化有相同的反映。因此，溫度傳感器波長漂移可以補(bǔ)償應(yīng)變傳感器波長漂移中由溫度變 化引起的部分，最終獲得由容器3內(nèi)液體深度變化造成的光纖光柵波長漂移。在實(shí)用新型 提出的光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀中，由于連通管2為稱重傳感器上方，且其重力通過鋼絞線傳 遞由結(jié)構(gòu)物來承擔(dān)，連通管2的狀態(tài)改變不會干擾光纖光柵傳感器對容器3內(nèi)液體深度的
權(quán)利要求一種工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀，由剛性橫梁(1)、連通管(2)、容器(3)、光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器(4)、光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)、傳感器固定框(6)及連接梁(7)組成，其特征在于剛性橫梁(1)通過鋼絞線懸吊于結(jié)構(gòu)物的底部，連通管(2)在剛性橫梁(1)左右各1根，兩根連通管(2)通過剛性橫梁(1)連接，容器(3)頂板上開有兩個圓形孔，兩根連通管(2)分別穿過圓形孔延伸至容器(3)內(nèi)部，連通管(2)管口與容器(3)底壁間留有一定距離；剛性橫梁(1)和傳感器固定框(6)通過鋼絞線連接，光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器(4)一端固定于傳感器固定框(6)的側(cè)壁上、另一端自由不受約束；傳感器固定框(6)下方連接有光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)；光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)底部通過連接梁(7)與容器(3)頂板連接，且光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器(4)、光纖光柵應(yīng)變傳感器(5)及容器(3)三者的重心在同一鉛直線上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀，其特征在于相鄰的靜 力水準(zhǔn)儀通過連通管(2)連接構(gòu)成連通器。
專利摘要本實(shí)用新型屬于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工程化高耐久性光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀。由剛性橫梁、連通管、容器、光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等組成，兩根連通管通過剛性橫梁連接，容器頂板上開有圓形孔，連通管穿過圓形孔延伸至容器內(nèi)部；剛性橫梁和傳感器固定框通過鋼絞線連接，光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器一端固定于傳感器固定框的側(cè)壁上；傳感器固定框下方連接有光纖光柵應(yīng)變傳感器；光纖光柵應(yīng)變傳感器底部通過連接梁與容器頂板連接，光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器及容器三者的重心在同一鉛直線上。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，傳感誤差易控制；與結(jié)構(gòu)通過鋼絞線連接易滿足傳感器布設(shè)對高程的要求，安裝方便。
文檔編號G01C5/04GK201527272SQ200920210769
公開日2010年7月14日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者孫利民, 孫守旺, 淡丹輝 申請人:同濟(jì)大學(xué)