本發(fā)明涉及光纖光柵傳感領域、結構內壓力監(jiān)測技術領域，具體涉及一種基于光纖光柵的點式測力傳感器，測試結果可用于評估結構的受力狀態(tài)和安全性能。

背景技術：

如果能實時掌握工程結構外的流體壓力、土體壓力等外界壓力的變化信息，即可在結構服役過程中出現(xiàn)安全風險時，及時采用適當工程加固方法有效降低事故發(fā)生的幾率，延長結構的使用年限。此基于光纖光柵的點式測力傳感器是一種運用范圍較廣的監(jiān)測裝置，其廣泛應用于各種交通工程、水利工程、海洋工程和管道輸送工程等服役過程中等結構的側向梯度壓力的監(jiān)測，以往針對水下壓力或土中壓力測試沒有專門的傳感器，大部分現(xiàn)有的測壓傳感器在水中或土中易受到外部環(huán)境影響而導致測量精度的下降，會受外部介質的侵蝕而無法長期工作，耐久性差。第二、不易安裝的特點也十分突出，大多數(shù)儀器在水中或土中的安裝和固定十分不方便，靈活性差，而且一經(jīng)安裝就不能輕易改動，在實際工程中的實用性非常低。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有的測力傳感器耐久性差、不易于安裝、體積大、不能實時測量液體壓力或者土體壓力的變化等不足，本發(fā)明的目的在于提供一種通過彈性結構與布拉格布拉格光纖光柵的結合、提高布拉格布拉格光纖光柵的精確性和耐久性并能將測得的數(shù)據(jù)實時地導出到地面的數(shù)據(jù)庫中方便數(shù)據(jù)的計算和儲存的基于光纖光柵的點式測力傳感器，具有耐腐蝕、實時監(jiān)控、傳感精度高、抗電磁干擾、準分布式監(jiān)測、物理量的絕對測量、可重復利用和易于數(shù)據(jù)管理的特點。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于光纖光柵的點式測力傳感器，其特征在于：包括外套鋼管、內芯鋼管、測力觸頭、光纖引出端口和設置在內芯鋼管內并與測力觸頭相連接的測試傳感元件，所述測試傳感元件為內嵌有光纖光柵的彈性結構，所述內芯鋼管位于所述外套鋼管內，所述的測力觸頭與彈性結構相接觸，用于將外部的壓力變化敏感地傳遞到測試傳感元件中的彈性結構，再經(jīng)由內嵌在測試傳感元件中的光纖光柵的變形導致光纖光柵的波長變化從而測出外部壓力的變化；所述光纖光柵遠離測力觸頭的一端與光纖引出端口連接，所述光纖引出端口用于光纖光柵導線的引出。

進一步，所述光纖引出端口為sma接口。具有頻帶寬、性能優(yōu)、高可靠、壽命長的特點。

再進一步，所述內芯鋼管底部為螺紋結構，所述外套鋼管的底部為螺母結構，將內芯鋼管固定在外套鋼管上。使測試傳感原件更加穩(wěn)固，不會導致測試傳感原件的傾斜所產生的外力測量不準確的情況。

更進一步，所述光纖光柵為布拉格光纖光柵，所述的布拉格光纖光柵的布拉格波長為

λb＝2neλ(1)

式中，λ，為折射率變化的周期；ne為纖芯的有效折射率，當λ和ne中任一發(fā)生變化時都將引起光柵波長的移動，即

由式(2)知，當光纖長度方向上產生應變時，使λ和ne產生變化，導致布拉格布拉格光纖光柵反射波長改變，從而通過檢測λb的變化量來求得待測應變量。

所述的外套鋼管為圓環(huán)形鋼管，內芯鋼管為圓柱形鋼管。外套鋼管起到固定和支持的作用，所述的內芯鋼管可保護測試傳感元件的正常工作，防止外部液體或土體等外界環(huán)境的侵入對彈性結構和布拉格光纖光柵的侵蝕，防止外部環(huán)境對測試傳感元件的破壞，起到保證測試傳感元件正常工作和測量精度的作用；

可以方便地安裝在圍護結構內外壁的適當支座或者管壁上。根據(jù)測量精度的需求改變布置的密度，可通過在不同長度范圍內布置多個基于光纖光柵的點式測力傳感器來測得該線段上的梯度壓力值，如水中構件外側不同深度的水壓力、土中構件不同深度的土壓力等等。

本發(fā)明的技術構思為：基于光纖光柵的點式測力傳感器技術主要涉及到以下三個方面的內容：(1)對外界壓力變化的敏感性；(2)傳感器的高耐久性；(3)外界壓力測量的精確性。外界土壓力變化測量所需的數(shù)據(jù)主要來自測力觸頭傳遞的外界壓力值和光纖光柵受壓引起的波長變化。

布拉格光纖光柵是目前在智能材料系統(tǒng)研究中應用最為廣泛的敏感元件之一，其工作原理是外界物理量的變化引起布拉格光纖光柵中心波長的變化，由布拉格光纖光柵中心波長的變化獲得被測量的值。這種測量方法思路清晰，操作便捷，很容易為廣大工程技術人員接受。光纖傳感元件的優(yōu)點主要表現(xiàn)為抗電磁干擾；耐腐蝕；分布式測量、絕對測量、信號衰減小；靈敏度高，精度高等優(yōu)點。此外，近年來結構的實時安全監(jiān)測已成為國內外研究的熱點之一，作為結構健康監(jiān)測重要手段的光纖技術也得到了極大的發(fā)展。因此本裝置結合布拉格光纖光柵進行感知和傳輸?shù)膬?yōu)點，研發(fā)了高耐久性的基于光纖光柵的點式測力傳感器，充分發(fā)揮了布拉格光纖光柵監(jiān)測具有的精度高、耐久性好的特點，克服了傳統(tǒng)測試方法的缺點，可以經(jīng)受不同場合測試環(huán)境的考驗，并滿足不同測量精度的需求。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：耐腐蝕、實時監(jiān)控、傳感精度高、抗電磁干擾、準分布式監(jiān)測、物理量的絕對測量、可重復利用和易于數(shù)據(jù)管理。

附圖說明

圖1為基于光纖光柵的點式測力傳感器的剖面圖；

圖2為基于光纖光柵的點式測力傳感器的工作原理示意圖；

圖3為基于光纖光柵的點式測力傳感器的立面示意圖；

圖4為測試傳感元件的彈性結構。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖4，一種基于光纖光柵的點式測力傳感器，包括外套鋼管2、內芯鋼管3、測力觸頭1、光纖引出端4口和設置在內芯鋼管3內并與測力觸頭1相連接的測試傳感元件，所述測試傳感元件為內嵌有光纖光柵6的彈性結構5，所述內芯鋼管3位于所述外套鋼管2內，所述的測力觸頭1與彈性結構5相接觸，用于將外部的壓力變化敏感地傳遞到測試傳感元件中的彈性結構5，再經(jīng)由內嵌在測試傳感元件中的光纖光柵6的變形測出外部壓力的變化；所述光纖光柵6遠離測力觸頭的一端與光纖引出端口4連接，所述光纖引出端口4用于光纖光柵導線的引出。

進一步，所述光纖引出端口4為sma接口。具有頻帶寬、性能優(yōu)、高可靠、壽命長的特點。

再進一步，所述內芯鋼管3底部為螺紋結構7，所述外套鋼管2的底部為螺母結構，將內芯鋼管固定在外套鋼管上。使測試傳感原件更加穩(wěn)固，不會導致測試傳感原件的傾斜所產生的外力測量不準確的情況。

更進一步，所述光纖光柵6為布拉格光纖光柵，所述的布拉格光纖光柵的布拉格波長為

λb＝2neλ(1)

式中，λ，為折射率變化的周期；ne為纖芯的有效折射率，當λ和ne中任一發(fā)生變化時都將引起光柵波長的移動，即

由式(2)知，當光纖長度方向上產生應變時，使λ和ne產生變化，導致布拉格布拉格光纖光柵反射波長改變，從而通過檢測λb的變化量來求得待測應變量。

所述的外套鋼管2為圓環(huán)形鋼管，內芯鋼管3為圓柱形鋼管。外套鋼管起到固定和支持的作用，所述的內芯鋼管可保護測試傳感元件的正常工作，防止外部液體或土體等外界環(huán)境的侵入對彈性結構和布拉格光纖光柵的侵蝕，防止外部環(huán)境對測試傳感元件的破壞，起到保證測試傳感元件正常工作和測量精度的作用；

可以方便地安裝在圍護結構內外壁的適當支座或者管壁上。根據(jù)測量精度的需求改變布置的密度，可通過在不同長度范圍內布置多個基于光纖光柵的點式測力傳感器來測得該線段上的梯度壓力值，如水中構件外側不同深度的水壓力、土中構件不同深度的土壓力等等。

基于光纖光柵的點式測力傳感器的工作流程為：

stepa:根據(jù)圖2所示，將基于光纖光柵的點式傳感器安裝固定在固定裝置或直接安裝在管壁上；

stepb：外界壓力的變化傳遞至測力觸頭1的位置；

stepc：測力觸頭將壓力傳遞至彈性結構5；

stepd：彈性結構5受力產生變形并將變形傳遞至內嵌的布拉格光纖光柵；

stepe：布拉格光纖光柵的受壓變形致使布拉格光纖光柵內光的波長發(fā)生變化；

stepf：通過波長變化的大小，根據(jù)數(shù)學解析的方法就能算得外界某點的壓力值；

stepg：通過導線從光纖引出端口4可將測得的數(shù)據(jù)導出到電腦儲存和分析。

所述的測試傳感元件的頂部與測力觸頭1接觸，外界液體、土體等其他環(huán)境壓力會使測力觸頭附近的壓力發(fā)生改變，外部的壓力變化通過測力觸頭傳遞至測試傳感元件的彈性結構；

所述的彈性結構5，采用高靈敏度的材料，能夠測量到測量觸頭壓力的微小變化。

式中，pe為有效彈光系數(shù)，pij為彈光系數(shù)，μ為纖芯材料的泊松比。

由(4)式得到壓力靈敏度：

布拉格光纖光柵二階靈敏度系數(shù)為：

則有布拉格光纖光柵的軸向應變ε1引起的波長變化為：

由于忽略布拉格光纖光柵的二階應變靈敏度所引起的誤差不超過0.5％，所以布拉格光纖光柵的波長漂移量與所有的應變變化呈良好的線性關系，不考慮二階應變的靈敏度影響。

假設沿光纖軸向施加壓力f1，根據(jù)胡克定律易求得布拉格光纖光柵處軸向應變?yōu)椋?/p>

式中，e1為布拉格光纖光柵的楊氏模量，a1為布拉格光纖光柵的有效橫截面積，f1為作用在布拉格光纖光柵上的壓力值。

則布拉格光纖光柵的波長變化引起的壓力f1的變化為:

根據(jù)變形協(xié)調的原理，內芯鋼管和彈性結構內的布拉格光纖光柵受力壓縮產生的變形值應相等：

ε1＝ε2(10)

f＝f1+f2(12)

式中，ε1為布拉格光纖光柵的軸向應變，ε2為內芯鋼管的軸向應變，e1為布拉格光纖光柵的楊氏模量，e2為內芯鋼管的楊氏模量，a1為布拉格光纖光柵的受力表面積，a2為內芯鋼管的受力表面積，f2為內芯鋼管頂部所受的壓力值，f為外界某點的壓力總值。

所述的光纖引出端口，采用sma接口，將布拉格光纖光柵測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀中，根據(jù)上述力學解析法就可得知該點的壓力值。

本發(fā)明是一種基于光纖光柵的點式測力傳感器，適用于實時監(jiān)測工程上某一點的壓力變化值，從而對交通工程、水利工程、海洋工程和管道輸送工程等服役過程中的結構進行安全監(jiān)測，可廣泛應用于新建或已經(jīng)建成的工程設備的安全監(jiān)測環(huán)境中，具有高耐久性、高精度、結構簡單、實時監(jiān)控和易于工程布設等優(yōu)點。

其工作原理如下：按設計要求的不同，測量圓柱形設備時可將基于光纖光柵的點式測力傳感器直接布置到管壁內側，測量管壁內側某點的壓力變化值，或者通過將傳感器安裝在儀器上可測得自然環(huán)境下某點的壓力變化值。當外部壓力發(fā)生變化時，外部的壓力傳遞至測力觸頭，再由測力觸頭將壓力傳遞至彈性結構，使彈性結構發(fā)生變形，導致嵌入在彈性結構中的布拉格光纖光柵因壓縮變形使其波長發(fā)生變化，通過布拉格光纖光柵的數(shù)據(jù)傳輸線把測力傳感器測得的信號傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)采集儀中，再通過信號解析和力學分析即可獲得實時的壓力變化值。

近年來，作為最有前途敏感原件之一的光纖也得到巨大的發(fā)展，相比于電子類傳感器,布拉格光纖光柵傳感器也更適合用在深水、巖土中或其他高溫高壓等苛刻環(huán)境中。目前，光纖傳感器已經(jīng)廣泛用于交通工程、水利工程、海洋工程和管道輸送工程等領域，構建全光纖的健康監(jiān)測系統(tǒng)也成為今后結構健康監(jiān)測的發(fā)展目標之一?；诠饫w的點式測力傳感器是結合布拉格光纖光柵測力的一種形式，它是以布拉格光纖光柵作為敏感元件的功能性傳感器，具有其他類型測力傳感器無可比擬的優(yōu)點，主要有耐久性好，可適用于環(huán)境惡劣的土木水利等結構中通過改變測試傳感元件內的彈性結構、內芯鋼管和測力觸頭的剛度大小或者改變基于光纖光柵的點式測力傳感器的布置密度等，可以方便地改變測量的精度或量程。具有可靠性好，抗電磁干擾能力強，而且易構成傳感網(wǎng)絡和易于安裝布設等優(yōu)點。數(shù)據(jù)的收集和存儲可以基于阿里云的平臺，容納海量數(shù)據(jù)，服務器數(shù)量可以彈性擴張。

本發(fā)明的關鍵技術有：

1、本發(fā)明是以布拉格光纖光柵為敏感元件，利用測力觸頭、測試傳感元件和測力傳感器內的彈性結構作為傳力機構，以上元件的選擇使得本專利具有精確、實時、高耐久性的特點。

2、本發(fā)明所設計的基于光纖光柵的點式測力傳感器可以直接監(jiān)測土層的厚度變化、管壁內的液體壓力及其他各種工程環(huán)境的壓力變化，且體型小巧能夠使測量的位置更加精確，并且布拉格光纖光柵與彈性結構的復合使得布拉格光纖光柵對壓力的變化更準確而且更加敏感，因此在外力變化較小的情況下，也能準確地檢測到外力變化的數(shù)值。

3、本發(fā)明所設計的基于布拉格光纖光柵的點式壓力傳感器具有良好的密封性和耐腐蝕性可以在任何工作環(huán)境下工作，并且可以根據(jù)測量精度及長度的要求改變布置的密度。

本基于光纖光柵的點式測力傳感器的技術原理及理論依據(jù)：

本發(fā)明將布拉格光纖光柵嵌入在彈性結構中，再將彈性結構和布拉格布拉格光纖光柵復合并整體放入內芯鋼管中，再將內芯鋼管與外套鋼管通過螺紋連接。從而形成一個可以監(jiān)測外界壓力變化的基于光纖光柵的點式測力傳感器。

由于內芯具有密封性并且采用具有較高耐腐蝕性的材料，使得測量部分有很高的耐久性，從而本專利的沖刷傳感器在潮濕環(huán)境下仍然具有較高的耐久性。本傳感器優(yōu)點在于耐腐蝕性高、傳感精度高、抗電磁干擾、準分布式監(jiān)測、物理量的絕對測量等。最后,這種光纖沖刷傳感器適于長期監(jiān)測的實際工程需要，并且可以根據(jù)工程需要設計出不同精度、不同量程的傳感器。本基于光纖光柵的點式測力傳感器可以有效地監(jiān)測工程結構內部受力情況，并可在結構發(fā)生破壞前起到提前預警的作用。該裝置敏感元件布拉格光纖光柵，傳力機構采用測力觸頭和內部的彈性材料，設計巧妙、構造簡單，解決了大、小型工程結構的健康監(jiān)測問題，具有重大的實際應用意義。

本發(fā)明涉及交通工程、水利工程、海洋工程和管道輸送工程等服役過程中的結構安全監(jiān)測，是一種適用于特殊監(jiān)測條件下的壓力測試技術，具體涉及一種基于光纖光柵的點式測力傳感器，測試結果可用于評估結構的受力狀態(tài)和安全性能。