本发明专利技术公开了一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，包括：盒体，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片；安装于盒体内部的两个支撑轴；安装于两个支撑轴上的两个L型梁，每个L型梁均具有竖直方向部分和水平方向部分；安装于承压膜片与两个水平方向部分的端部之间的中心传力杆；安装于双L型梁的竖直方向部分的端部检测土压力信号的光纤光栅，承压膜片的纵向位移通过中心传力杆和两个L型梁被传递给光纤光栅，使光纤光栅产生轴向应变；设置于盒体两端部侧壁的两个引出小孔；安装于盒体底部密封和保护盒体内部结构的底板。本发明专利技术解决了土压力传感器的体积、灵敏度、封装工艺等问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土木工程监测
，尤其涉及一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，适用于埋入式或结构表面土压力测量，如岩土工程、边坡、大坝、路基等工程结构土压力监测。
技术介绍
土压力作为反映土木工程结构稳定性状态的主要参数，对其进行实时监测，不仅可以避免重大工程事故发生，而且可以为岩土工程结构的设计、防护以及理论研究提供可靠数据。因此，研制适合于岩土介质环境的压力传感器具有重要意义。土压力传感器特殊的应用环境，通常需要将其埋入到岩土介质中进行监测。这对于土压力传感器的设计提出了严格要求。目前，应用于土压力观测的传感器主要有振弦式、 电阻应变式、差动电阻式、电感式和光纤式等。振弦式土压力传感器、电阻应变式土压力传感器、差动电阻式土压力传感器以及电感式土压力传感器等电学类传感器在实际检测过程存在长期稳定性差、精度低、易受电磁侵扰、实时性以及组网能力差等弊端。光纤土压力传感器与传统的电学类土压力传感器相比，优势明显灵敏度高、不受电磁干扰、复用简单、可构成监测网络、实现多点同步监测，更适合长期实时监测。鉴于光纤土压力传感器的如上技术优势，可满足土木工程领域对岩土压力的监测要求。目前已经在此方面积极展开研究。Chiachen Changa,王俊杰,Zhi Zhou等人分别报道了不同结构的光纤光栅土压力传感器。但是，这些光纤光栅土压力传感器都是将光纤光栅粘结在介质材料表面，当外界土压力作用到介质材料上时，介质材料发生弯曲变形，从而在其表面产生应变，带动粘结在其上的光纤光栅的输出波长发生变化，从而解调出土压力信号。这些技术方案由于光纤光栅的栅区被直接粘结封装，一方面容易使光纤光栅产生啁啾，另一方面由此带来的传感器的热稳定性较差，不适合在宽温度变化范围内工作。李丽君等人报道了一种光纤光栅土压力传感器(ZL201010570760.8)，采用菱形传力结构技术方案，该方案在一定程度上提高了土压力传感器的灵敏度，但同时增加了传感器的厚度，造成土压力传感器尺寸较大；另外，该方案将光栅直接粘结在固定于菱形结构左、右角之间对角线的金属弹性膜片上，因此没有避免栅区与介质材料直接接触。胡志新等人(胡志新等，温度补偿式光纤光栅土压力传感器，应用光学，2010，31，(I):110-113)提出了一种温度补偿式光纤光栅土压力传感器，选用有硬中心的平膜片作为弹性元件，通过平膜片上的两个固定柱将土压力转化为光纤光栅的波长飘移，该方案解决了栅区直接封装带来的弊端；但是由于承压圆盘与圆腔壳体采取螺纹连接的方式，并非刚性连接，长期处于高土压力状态下，会造成连接松动，影响传感器精度。因此，如何减小土压力传感器的体积及厚径比，增大土压力传感器的灵敏度，改进封装工艺，使光纤光栅土压力传感器更好的满足岩土介质监测要求成为目前亟需解决的问题。例如，土压力传感器埋入容易引起应力集中，从而改变土压力传感器周围岩土应力场分布；因此，一般要求土压力传感器的厚径比小于O. 2，从而降低埋入效应引起的周围应力场变化，使检测值更精确地反映岩土压力。因此，本专利技术提出一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，用于土木工程领域边坡、大坝等的土压力监测，重点解决土压力传感器体积、灵敏度以及封装工艺等问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，以解决土压力传感器的体积、灵敏度、封装工艺等问题。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，包·括盒体1，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片2 ；安装于盒体I内部的两个支撑轴4 ；安装于两个支撑轴4上的两个L型梁5，每个L型梁均具有竖直方向部分6和水平方向部分7，两个L型梁5的水平方向部分7相对且不接触，使L型梁5能够绕支撑轴4转动一定角度；安装于承压膜片2与两个水平方向部分7的端部之间的中心传力杆3，中心传力杆3将承压膜片2的纵向位移传递给两个L型梁5的水平方向部分7的端部；安装于双L型梁5的竖直方向部分6的端部检测土压力信号的光纤光栅8，承压膜片2的纵向位移通过中心传力杆3和两个L型梁5被传递给光纤光栅8，使光纤光栅8产生轴向应变；设置于盒体I两端部侧壁的两个弓I出小孔9，光纤光栅8的尾纤通过该两个弓I出小孔9被引出；安装于盒体I底部密封和保护盒体I内部结构的底板10。上述方案中，所述承压膜片2、中心传力杆3和两个L型梁5构成一个纵向-横向位移转化结构，当受到外界土压力时，该两个L型梁5通过旋转将承压膜片2挠度传递给光纤光栅8,引起该光纤光栅8发生轴向应变。上述方案中，所述支撑轴4为阶梯状，以限制L型梁5沿支撑轴4的平动，使L型梁5只有一个绕支撑轴4的旋转自由度，进而提高该光纤光栅土压力传感器的稳定性能。上述方案中，所述光纤光栅土压力传感器是通过改变承压膜片2的半径或厚度，或者是通过改变L型梁5竖直方向部分6与水平方向部分7长度的比例关系，来调整光纤光栅土压力传感器的灵敏度和量程。上述方案中，所述光纤光栅土压力传感器的盒体I、承压膜片2以及中心传力杆3为一体化设计，以保证外界土压力所引起的承压膜片2挠度的刚性传递。上述方案中，所述两个L型梁5的竖直方向部分6的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁5的初始位置，确保两个L型梁5的水平方向部分7与中心传力杆3在初始条件下紧密接触。上述方案中，所述中心传力杆3与两个L型梁5的水平方向部分7的端部之间还包括一个分载梁20，且中心传力杆3作用于该分载梁20的中心。上述方案中，所述分载梁20的中心接触于中心传力杆3，分载梁20的两端部分别接触于一个L型梁5的水平方向部分7的端部，承压膜片2的纵向位移依次通过中心传力杆3和分载梁20被传递至两个L型梁5的水平方向部分7的端部。上述方案中，所述两个L型梁5的竖直方向部分6的端部之间还包括一弹性材料，该弹性材料固定两个L型梁5的初始位置，确保两个L型梁5的水平方向部分7与分载梁20的两端部在初始条件下紧密接触。上述方案中，所述弹性材料是可拆卸的，其弹性模量小于光纤的弹性模量。(三)有益效果从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果 I、本专利技术提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，可以通过L型梁的设计将纵向位移转化为横向位移，减小了土压力传感器的厚径比和体积，以满足岩土介质压力监测要求。2、本专利技术提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，通过双L型梁的对称布设，增大了土压力传感器的灵敏度；并且可以通过调节承压膜片尺寸以及改变L型梁水平方向部分与竖直方向部分的比例关系来调整土压力传感器的量程和灵敏度，以适应不同场合的监测要求。3、本专利技术提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，通过双L型梁的端部固定光纤光栅，避免了栅区直接与介质材料接触所带来的啁啾、热稳定性差等现象，改进了封装工艺。附图说明图I是依据本专利技术实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与光纤平行方向的剖视图。图2是依据本专利技术实施例提供的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器沿与支撑轴平行方向的剖视图，其中光纤所在方向与支撑轴所在方向垂直。图3是图I或图2所示的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器的俯视图。图4是图I所示的基于双L本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括：盒体(1)，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片(2)；安装于盒体(1)内部的两个支撑轴(4)；安装于两个支撑轴(4)上的两个L型梁(5)，每个L型梁均具有竖直方向部分(6)和水平方向部分(7)，两个L型梁(5)的水平方向部分(7)相对且不接触，使L型梁(5)能够绕支撑轴(4)转动一定角度；安装于承压膜片(2)与两个水平方向部分(7)的端部之间的中心传力杆(3)，中心传力杆(3)将承压膜片(2)的纵向位移传递给两个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部；安装于双L型梁(5)的竖直方向部分(6)的端部检测土压力信号的光纤光栅(8)，承压膜片(2)的纵向位移通过中心传力杆(3)和两个L型梁(5)被传递给光纤光栅(8)，使光纤光栅(8)产生轴向应变；设置于盒体(1)两端部侧壁的两个引出小孔(9)，光纤光栅(8)的尾纤通过该两个引出小孔(9)被引出；安装于盒体(1)底部密封和保护盒体(1)内部结构的底板(10)。
【技术特征摘要】
1.一种基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，包括 盒体(I)，为饼状筒形结构，其顶部内表面具有直接感受外界土压力信号的一个承压膜片⑵； 安装于盒体(I)内部的两个支撑轴(4)； 安装于两个支撑轴(4)上的两个L型梁(5)，每个L型梁均具有竖直方向部分(6)和水平方向部分(7)，两个L型梁(5)的水平方向部分(7)相对且不接触，使L型梁(5)能够绕支撑轴(4)转动一定角度； 安装于承压膜片(2)与两个水平方向部分(7)的端部之间的中心传力杆(3)，中心传力杆⑶将承压膜片⑵的纵向位移传递给两个L型梁(5)的水平方向部分(7)的端部； 安装于双L型梁(5)的竖直方向部分(6)的端部检测土压力信号的光纤光栅(8)，承压膜片(2)的纵向位移通过中心传力杆(3)和两个L型梁(5)被传递给光纤光栅(8)，使光纤光栅⑶产生轴向应变； 设置于盒体(I)两端部侧壁的两个引出小孔(9)，光纤光栅(8)的尾纤通过该两个引出小孔(9)被引出； 安装于盒体(I)底部密封和保护盒体(I)内部结构的底板(10)。2.根据权利要求I所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述承压膜片(2)、中心传力杆(3)和两个L型梁(5)构成一个纵向-横向位移转化结构，当受到外界土压力时，该两个L型梁(5)通过旋转将承压膜片(2)挠度传递给光纤光栅(8)，引起该光纤光栅(8)发生轴向应变。3.根据权利要求I所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述支撑轴(4)为阶梯状，以限制L型梁(5)沿支撑轴(4)的平动，使L型梁(5)只有一个绕支撑轴(4)的旋转自由度，进而提高该光纤光栅土压力传感器的稳定性能。4.根据权利要求I所述的基于双L型梁的光纤光栅土压力传感器，其特征在于，所述光纤光栅土压力传感器是通过改变承压膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：张文涛，李峰，杜彦良，李芳，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：
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