专利名称：用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤 弹簧组合式位移计。
背景技术：
以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世 纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地 下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模 越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展； 反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下 洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是 由于工程建设的需要而发展起来的。进行地质力学模型试验，就必然要进行相应的位移测量。 位移测量多采用位移传感器进行测量，以下先对国内外一些主要应用于模型试验的位移测量 方法和设备进行介绍
(1) 在大朝山水电站岩壁吊车梁模型试验研宄采用了百分表对位移标定迸行位移测量， 这种古老的方法无法应用无模型内部测点的测量。
(2) 总参工程兵科研三所研制了一套由模型块体内的预埋件和外部的千分表组成的联杆 系统，解决了洞壁绝对位移的量测问题。这套系统采用千分表进行测量，精度较低。采用联 杆件进行位移传递，占用模型内部空间大，并影响模型自身变形。
(3) 山东大学研制了一套由光栅尺，钢丝绳和模型块体内预埋件组成的多点位移计系统， 测量精度高。它需要把位移通过钢丝绳传递到模型外部迸行测量。当钢丝绳遇到洞室或其他 不可穿越的结构时，就无法将位移传递到外部的光栅尺进行测量。
(4) 在三维模型中,地质构造(如断层或夹层)内部相对位移的测量十分重要,而内部位移 传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计,釆用等强度梁的结构形式， 用0. 5 mra厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴4片电阻片，组成全桥电路,使用时将其埋设在 构造面的下盘,其上埋一个固定桩,这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。这种位移计 可以埋设在模型内部，但是由于位移计只能埋设在测点附件，并采用固定桩进行位移传递， 这样大大破坏了测点周边模型材料，并阻碍对模型自身的变形，无法应用于两个洞室间边墙 的位移测量。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决目前位移测量装置体型过大、结构复杂、操作不便、成 本高、测量精度不佳等问题，提供一种具有结构简单，使用方便，成本低廉且测量精度高等 优点的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案-
一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，它包括弹簧单元、调节螺 栓、光纤量测单元以及钢丝绳，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与光纤量测单元 连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓连接。
所述弹簧单元为直径5mra 8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成 所需刚度的弹簧单元。
所述光纤量测单元的基体为聚乙烯棒，其上粘贴光纤光栅。
所述聚乙烯棒是弹性模量为50Mpa 100Mpa的3mm直径圆棒。
所述钢丝绳直径为0. 5mm，由7 X 7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计主要由五个部分组成，有弹簧单元、调节螺栓、聚乙烯棒、光纤光栅、以及钢丝绳子组成。弹簧直径为5mm 8mm,可以根据具体的测量要求采用不同直径的弹簧 钢丝制作，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元；调节螺栓可以用来调节位移计的初始状 态，避免位移计超过量测范围；聚乙烯棒是粘贴光栅传感器的基体，弹性模量为50Mpa 100Mpa,制作成3mm直径的圆棒，刚度较�。诤苄〉淖饔昧ο驴梢圆洗蟮挠Ρ洌� 位移响应的灵敏度高，也可以根据测量要求选用其他材料作为基体；钢丝绳直径为0.5mm， 由7X7股细钢丝绞成，刚度大并且柔软，用于在位移计受拉时传递位移。光纤光栅在受到应 力和温度改变时，引起光栅布拉格波长漂移，其中温度产生的波长漂移可以通过设置温度补 偿进行消除，因此以波长的漂移量作为因变量，与光纤应变有对应关系。光纤光栅对应变响 应的灵敏度高，粘贴在聚乙烯棒表面测量聚乙烯棒产生微小形变所引起的光栅波长漂移量， 可使得位移计的精度提高到O.OOlmm。光栅位移计采用弹簧迸行受力，不超过弹簧弹性极限 长度的位移都可以测量，同时光栅的极限应变为3000微应变，可使位移计量程达到2mm。 光栅应变位移计所使用的部件都为棒状，尺寸都不大于8mm，外部采用lcm的塑料管进行保 护，可以埋设在模型内部进行测量。 本实用新型的有益效果是
(1) 占用空间小。埋设在模型内部所需空间�。杉跎俣阅Ｐ筒牧系钠苹担�
(2) 精度高。采用光纤光栅作为应变传感器，精度较同类位移计高；
(3) 位移计尺寸可变。根据不同类型不同尺寸模型试验的需要，改变光栅位移计的长度
和直径，以适应模型试验的要求。
(4) 可调节性。光栅位移计埋设到模型内部后，因为其他因素是的位移计初始状态改变， 可以通过调节装置改变其初始状态，使其符合以后的量测要求。
(5) 可以埋设于模型内部。在无法将位移传递到模型外部进行测量时，可以将悬臂梁式
位移计埋设在模型内部，引出信号线进行测量。
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，l.调节螺栓，2.聚乙烯棒，3.光纤光栅，4.弹簧单元，5.钢丝绳。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。
图l中，它包括弹簧单元4、调节螺栓l、光纤量测单元以及钢丝绳5，弹簧单元4一端 通过钢丝绳5固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓1连接。
弹簧单元为4直径5卿 8ram的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所 需刚度的弹簧单元。
光纤量测单元的基体为聚乙烯棒2，其上粘贴光纤光栅3。
聚乙烯棒2是弹性模量为50Mpa 100Mpa的3咖直径圆棒。
钢丝绳5直径为0.5咖，由7X7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计的主要机理两段固定点的位移通过钢丝绳传递给弹性元(由弹簧和聚 乙烯棒组成)，弹性元受拉产生的拉力，拉力的大小跟位移大小成正比，同时粘贴光纤光栅的 聚乙烯棒受拉的应变跟拉力也成正比，因而位移与聚乙烯棒拉应变成对应关系。由于光栅传 感器粘贴在聚乙烯棒上，聚乙烯棒的应变就传递给光栅传感器，光栅传感器的应变量可以通 过波长漂移量确定出来。因此可以知道位移变化量x是波长X的函数f 00，即x-f 00。这 种函数关系通过标定试验确定。
A.光栅应变位移计设计原理
弹性元件-
1.弹性元件的原理
光纤量测单元为一粗细均匀的均质细杆，弹簧单元可以为一个或一组弹簧。 设弹簧单元的刚度系数为Kl,光纤量测单元的抗拉刚度为K2， E为光纤量测单元所用材料的弹性模量，A为细杆的横截面积，L为细杆的长度。根据结构力学可以得到，光纤量测单元的 抗拉刚度K2=EA/L系统的总刚度为 K= " Ka/( Ki +K2)
弹性元件受力F与位移f的关系为F-Kf,而在光纤量测单元中应变与力的关系为F=EAe。 可以得到弹性元件的应变与位移的关系e= Kf/ EA 灵敏度为dE/df = K/EA 2.弹性元件的设计
由灵敏度dE/df-K/EA-3/ (L+EA/K。，可以看出只要调整光纤量测单元材料的弹性模 量E、细杆的横截面积A和细杆的长度L以及弹簧单元的刚度系数"就可以根据量测需要调 整弹性元件的灵敏度。设〔=1<2 /Ki为光纤量测单元与弹簧单元的刚度比，又可以得到de/df =(3/L) /(l+K2/K^3/L(C+l)。
另外，光纤量测单元的材料参数还需要满足光栅传感器最大极限应变和光栅自身灵敏度 的要求，并满足测量的最大量程。设光栅的最大极限应变为emax，所需要的量测为d,则最大
灵敏度为Emax/d。
令弹性单元灵敏度为￡max/d，则Emax/d = 3/L(C+l)。 L可以根据光栅传感器最小粘贴所需长 度确定。代入上式就可以确定C。
弹性元件的受到的变形力为F-Kf，其中K-"C/(C+1)。弹性元件受到的变形力越大，其 抵抗外力干扰能力就越强，稳定性就越高好，但是受到的变形力越大，就阻碍了被测体的变 形。应当根据所被测物的实际条件，确定"值。
也可以根据所选用的光纤量测单元的材料性质，先确定1<2，在根据C求得K。模型试验 需要的量测为lmm，光栅的极限应变为2000X10—6,则最大灵敏度为2。光栅传感器最小粘 贴所需长度L为7cm。可以得到C-6.14。
由于模型试验测量的边墙位移为被动位移，变形力过大会阻碍边墙位移，因而弹性元件 所受变形力应当小一些，并且能满足稳定性要求。选用的材料为聚乙烯圆棒，弹性模量E为 50 100Mpa,取100Mpa。圆棒子直径为3mm。 K2=10092N/mm， Ki=1643N/mm。
B.光纤光栅应变测量
光纤光栅应变测量原理
在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中,最直接的为应力参量。应力引起光栅布拉 格波长漂移可以由下式描述 AXB-2neff AA+2Aneff A
式中AXB是波长漂移量，neif是光纤的有效折射率，AA表示光纤本身在应力作用下的弹 性变形，Aneff表示光纤的弹光效应，A表示光线光栅的栅距。外界不同的应力状态将导致AA 和Ar^的不同变化。经过推导得
AXbAb = (0.5 (neff) 2[(Pu+P12)v-P12]+l} E-k￡ {2) 式中:Xb为反射光的初始波长，Pu, Pu为光纤材料的光弹性系数，neff是光纤的有效折射率， v为光纤材料的泊松比，k即为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数，e 光纤材料的轴向应变值。利用纯熔融石英的参数,Pn-0.121,Pu-0.270,v-0.17,neff-1.456,可得光 纤光栅相对波长漂移应变灵敏度系数k=0.784。同时,与外加应力相似,外界温度的改变同样也 会引起光纤光栅Bragg波长的漂移。在模型中埋入了一个封装好的温度传感器,该传感器只感 受温度的变化,不受应变的影响,以便对光纤光栅应变传感器进行温度补偿。
A\bAb -ke可以看出漂移量与应变在一定应变范围内是基本成线性的。 公式可以变为^8=1^8￡，左右都加上Ab，得到入-k入Be+入b，入为布拉格光栅的波长。因此 可以标定入与e的关系。
权利要求1. 一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，它包括弹簧单元、调节螺栓、光纤量测单元以及钢丝绳，其特征是，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓连接。
2. 如权利要求1所述的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，其特征 是，所述弹簧单元为直径5mm 8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元。
3. 如权利要求1所述的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，其特征 是，所述光纤量测单元为聚乙烯棒，其上粘贴光纤光栅。
4. 如权利要求3所述的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，其特征 是，所述聚乙烯棒是弹性模量为50Mpa 100Mpa的3mm直径圆棒。
5. 如权利要求1所述的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，其特征 是，所述钢丝绳直径为0. 5mm，由7X7股细钢丝绞成。
专利摘要本实用新型公开了一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计。它解决了目前位移测量装置结构复杂，操作不便，成本高，测量精度不佳等问题，具有结构简单，使用方便，成本低廉且测量精度高等优点。其结构为它包括弹簧单元、调节螺栓、量测单元以及钢丝绳，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与量测单元连接；量测单元另一端则与调节螺栓连接。
文档编号G01L1/00GK201247046SQ20082018774
公开日2009年5月27日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者孙林锋, 朱维申, 李术才, 隋青美, 蒙 黄 申请人:山东大学
专业数控铣床产品供应商
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