专利名称：一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪，属于光电子测量技术领域。
背景技术：
地表沉降又称地面下陷或地陷，是指在一定的地表面积内所发生的地面水平面降低的现象。地表沉降将导致建筑物和生产设施的毁坏，因此，为保证工程的安全运行，监督施工质量和预防工程事故，需对高层建筑进行沉降测量。地表沉降议是一种根据定期测量变形量工作点的高程变化而计算出地表沉降量的设备，可用于堤坝、高速公路、铁路、软基加固等工程的地表沉降观测中。水管式沉降仪利用排气管来保证管路内的气压与外界大气压相平衡，该排气管容易堵塞，导致测量误差的增大，精确度得不到保证，且严重受限于人为因素和天气条件(李之中、李杰、郑水华，“水管式沉降仪的几点改进措施”《水电自动化与大坝监测》，2010年12月刊，第6期第34卷)。
实用新型内容针对上述问题,本实用新型一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪,采用光纤Bragg光栅传感器与连通器相结合来测量大坝等高层建筑的沉降，利用差压法，抵消掉大气压对沉降观测的影响，提高了测量精度；利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和液位的同时测量，且实现对温度波动干扰的补偿。本实用新型采用的技术方案一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是包括长方体容器1，光纤Bragg光栅液位传感器
I2,蛇形管3,光纤4,球形容器5,光纤Bragg光栅液位传感器]I 6 ;长方体容器I和球形容器5都装有水，容器里装有水，长方体容器I和球形容器5由蛇形管3相连相通，构成一个密闭容器；蛇形管3和球形容器5内、外壳之间是一个空腔，光纤4从空腔引出；长方体容器I和球形容器5中分别放有结构相同的光纤Bragg光栅液位传感器I 2和光纤Bragg光栅液位传感器Π b,光纤Bragg光栅液位传感器I 2和光纤Bragg光栅液位传感器Π b分别通过光纤12与外部信号处理装置13连接。所述的光纤Bragg光栅液位传感器为圆波纹膜片7与金属容器9构成一个密闭的腔体，等强度悬臂梁11顶端垂直固定金属传压杆8，金属传压杆8的顶端接触圆波纹膜片7的几何中心，在等强度悬臂梁11的固定端上下表面贴有光纤Bragg光栅10。在长方体容器I和球形容器5的水面上加有一层油，这样可以加强密封效果。所述的长方体容器1，蛇形管3,光纤4,球形容器5,圆波纹膜片7,金属容器9,光纤Bragg光栅10均为市售的普通元件；光纤Bragg光栅液位传感器I 2,光纤Bragg光栅液位传感器Π 6，金属传压杆8，等强度悬臂梁11可以采用常规方法加工。本实用新型的有益效果是采用光纤Bragg光栅传感器与连通器相结合来测量大坝等高层建筑的沉降，利用差压法，抵消掉大气压对沉降观测的影响，提高了测量精度；利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和液位的同时测量，且实现对温度波动干扰的补偿。
图I为水杯式Bragg光纤光栅沉降仪结构不意图；图2为光纤Bragg光纤光栅液位传感器结构图。图中1_长方体容器,2-光纤Bragg光栅液位传感器,3-蛇形管,4-光纤,5-球形容器，6-光纤Bragg光栅液位传感器,7-圆波纹膜片,8-金属传压杆,9-金属外壳,10-光纤 Bragg光栅，11-等强度悬臂梁，12-光纤，13-外部信号处理装置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，以方便技术人员理解。如图I所不水杯式光纤Bragg光栅沉降仪,其特征是包括长方体容器1，光纤Bragg光栅液位传感器I 2,蛇形管3，光纤4，球形容器5，光纤Bragg光栅液位传感器Π 6 ；长方体容器I和球形容器5都装有水，容器下层里装有水，上层有一定量的油，以提高长方体容器I密封性；长方体容器I和球形容器5由蛇形管3相连相通，构成一个密闭容器；蛇形管3和球形容器5内、外壳之间是一个空腔，光纤4从空腔引出；长方体容器I和球形容器5中分别放有结构相同的光纤Bragg光栅液位传感器I 2和光纤Bragg光栅液位传感器Π 6,光纤Bragg光栅液位传感器I 2和光纤Bragg光栅液位传感器Π 6分别通过光纤12与外部信号处理装置13连接。如图2所示所述的光纤Bragg光栅液位传感器为圆波纹膜片7与金属容器9构成一个密闭的腔体，等强度悬臂梁11顶端垂直固定金属传压杆8，金属传压杆8的顶端接触圆波纹膜片7的几何中心，在等强度悬臂梁11的固定端上下表面贴有光纤Bragg光栅10。在长方体容器I和球形容器5的水面上加有一层油，这样可以加强密封效果。水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的使用方法，所述的水杯式光纤Bragg光栅沉降仪的使用方法是长方体容器I固定在不随坝体沉降的基座上，当有沉降发生时，液位差增力口，作用在圆波纹膜片7上的水压力增大，使圆波纹膜片7形变发生变化，进一步引起粘贴在等强度悬臂梁11的光纤Bragg光栅10发生波长移位,光纤Bragg光栅10通过外接光纤12，利用外部信号处理装置13得到光纤Bragg光栅10中心波长的移位值，利用公式
Λ.4 = (I-Pg)4，公式中g有效弹光系数，&为光纤Bragg光栅的中心波
长，&AS为波长的移位量，P为压强，t是圆波纹膜片7的厚度，r是圆波纹膜片7的工作部分半径，a是圆波纹膜片7任意部位的半径，E是圆波纹膜片7材料的弹性模量，P是圆波纹膜片7材料的密度，以为圆波纹膜片7材料的泊松比，d为等强度悬臂梁11的厚度,/为等强度悬臂梁11的长度，g为地球引力常数，h为液位高度，从而计算出测点处的水压值，根据差压法原理，可算出两个光纤Bragg光栅液位传感器之间的液位高度，减去沉降前两个光纤Bragg光栅液位传感器之间的液位高度，就得坝体的沉降量。本实用新型测量技术的数学模型如下[0018]光纤光栅均匀轴向应变引起的波长移位为
A1S = AS(1-Pe)e(I)式(I)中，有效弹光系数Pi =0.22 , 4为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长的移位量，f为切向应变。假设圆波纹膜片周边是固支的，圆波纹膜片底面有均匀分布的压力作用，使圆波纹膜片发生形变(设其处于小绕度状态)，根据圆形薄板小挠度变形理论，圆波纹膜片产生的挠度为
BMl-Zi2Kr2-α2)2,οΛ·
W = -r--ΚΔ)
ISEis有公式(2)可以得知，在中心(r=0)处的挠度最大，其挠度最大值为
3^(1-//2)γ+μ、
W = Wmaj =-;——(3)
皿 wm3满足小挠度理论范围的公式为
3ρ( -μ2)^ ^ I…
w = ^^<-t(4)。
IGEti 3(2)式、(3)式(4)式中p为压力(Pa)，t是圆波纹膜片厚度(cm)，r是圆波纹膜片工作部分的半径(cm)，a是圆波纹膜片任意部位的半径(cm)，E是圆波纹膜片材料的弹性模量(MPa)， 是圆波纹膜片材料的密度(kg/ cm1), μ为圆波纹膜片材料的泊送松比。圆波纹膜片的变形推动其圆心下方的金属传压感向下移动，压迫等强度悬臂梁发生方向相当、大小相等的挠度变化，即等强度悬臂梁的挠度变化为P。等强度悬臂梁上沿轴线方向应变的大小不随位置的不同而变化，且其应变 与等强度悬臂梁自由端挠度》的关系为
Sdw、
5=下(5)(5)式中， 为等强度悬臂梁的厚度，I为等强度悬臂梁的的长度。把(3)式带入(5)式，则等强度悬臂梁上的应变e与匀布圧力/的关系为
P 9ρ {\-μ2)^m
ε =-π--Co；
ISEtiI2把(6)式代入(I)式，并有压强公式P = Pgh ,可得光纤Bragg光栅的Bagg波长移位与液位A的关系为[0035]
A. η ρ、9柄( Wa
AAb = {I-r )-τ- -AbC7)
UBlY5式(7)表明了液位传感器所受到的液位高度h与光纤Bragg光栅的Bragg波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅的Bragg波长移位可以计算出液位。对于密闭容器，我们采用的是差压法来测量液位。沉降前，假设长方体容器中的
液位传感器测得的压强为P1，液位为A，球形容器中的液位传感器测得的压强为朽，液位为
B，则由差压法可得·
P2-Pi = _‘β-鸟(8)由(8)式可得沉降前两液位传感器之间的液位高度。当有沉降发生，且长方体容器中的液位也发生了变化，假设此时测得的长方体容器中的液位传感器测得的压强为K，
液位为a，球形容器中的液位传感器测得的压强为，液位为b，同样由差压法可得
P2-Pi =(9)(7)、(8)、(9)式中P = IO3^Zot3 (水的密度)，g = 9別// (地球引力常数)，h为
液位高度。(9)式可得沉降后两液位传感器之间的液位高度，由(8)式和(9)式，可得大坝的沉降量汶=该一《) —(5 — 4)，如图I所示。
具体实施例在实际制作中的具体参数为I、 圆波纹膜片7材料恒弹合金3J53，，杨氏弹性模量5= 200 GPa,泊松比β =0.3 ；2、圆波纹膜片7尺寸半径r = 30 mm, a :.5 mm,厚度t=0. 5mm ;3、等强度悬臂梁11的长度/ = 40謹,厚度d =2謹，4、蛇形管尺寸长度2m;5、 光纤Bragg光栅10技术参数中心波长4 = 1550 nm，有效弹-光系数 Pe = 0.784 ；6、长方体容器I与球形容器5有蛇形管3相连相通，蛇形管采用两端口有螺纹的有很好柔性管子，使两容器与蛇形管能较好的连接。7、用外部信号处理装置13，获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；8、根据式(8)，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位对液位的响应灵敏度为^ = (I-Pe)喻G-C Λ (10)
kXSElhi[0053]将已知量代入式(10)，理论计算表明，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为Ipm时，该传感器的分辨率为O. 3987cm=3. 987mm。根据圆形薄板小挠度变形理论，圆波纹膜片的挠度变化量应小于圆波纹膜片厚度的1/3，可得该液位传感器的理论最大量程为
0.03048MPa。由压强公式P =/ ，其液位高最大为3m.计算结果表明，本实用新型具有高测量分辨率，测量误差�。馗葱院玫扔诺悖笨刹獾玫某两捣段�(0-2) m。本实用新型通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本实用新型范围的情况下 ，还可以对本实用新型专利进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型专利权利要求范围内的全部实施方案。
权利要求1.一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪,其特征是包括长方体容器，光纤Bragg光栅液位传感器1，蛇形管，光纤，球形容器，光纤Bragg光栅液位传感器II ;长方体容器和球形容器都装有水，容器里装有水，长方体容器和球形容器由蛇形管相连相通，构成一个密闭容器；蛇形管和球形容器内、外壳之间是一个空腔，光纤从空腔引出；长方体容器和球形容器中分别放有结构相同的光栅液位传感器I和光纤Bragg光栅液位传感器II,光栅液位传感器I和光纤Bragg光栅液位传感器II通过光纤与外部信号处理装置连接。
2.根据权利要求I所述的一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是光纤Bragg光栅液位传感器为圆波纹膜片与金属容器构成一个密闭的腔体，等强度悬臂梁顶端垂直固定金属传压杆，金属传压杆的顶端接触圆波纹膜片的几何中心，在等强度悬臂梁的固定端上下表面贴有光纤Bragg光栅。
3.根据权利要求I所述的一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪，其特征是在长方体容器和球形容器的水面上加有一层油。
专利摘要本实用新型涉及一种水杯式光纤Bragg光栅沉降仪，属光电子测量器件技术领域。本实用新型长方体容器和球形容器都装有水，容器里装有水，长方体容器和球形容器由蛇形管相连相通，构成一个密闭容器；蛇形管和球形容器内、外壳之间是一个空腔，光纤从空腔引出；长方体容器和球形容器中分别放有结构相同的光栅液位传感器和光纤Bragg光栅液位传感器，光栅液位传感器和光纤Bragg光栅液位传感器通过光纤与外部信号处理装置连接。本实用新型利用差压法，抵消掉大气压对沉降观测的影响，提高了测量精度；利用传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和液位的同时测量，且实现对温度波动干扰的补偿。
文档编号G01C5/04GK202692980SQ201220348320
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者李川, 郭丹, 许晓平, 蔡周春, 刘江, 吴晟 申请人:昆明理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
