[实用新型]光纤光栅水工渗压传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种新型大坝及其他水工建筑物渗压观测传感器，尤其是光纤光栅水工渗压传感器，属高新技术。

背景技术

世界上40％以上的水库大坝的溃坝事故是由库水渗流所致。渗流监测是大坝安全监测的一个关键项目，对保障大坝安全具有重要意义。

工程实践表明，传统的电测点式渗压计具有相当的局限性，主要表现在：仪器的长期稳定性差；精度不高，分辨率较低；难以做到复用和进行远距离遥测，漏检、误检多；渗压计埋设较困难等。另一方面，随着一大批世界级的高坝在我国的相继开工、建成，迫切需要实现传统大坝安全监测技术的更新换代。

光纤光栅传感技术是近年来发展最快的传感技术，已广泛应用于航天、土木、电力、石油、化工等各个领域。基于最新发展的光纤光栅传感技术，研制能适用于水利土木工程的性能优越的高技术渗压传感。以期对大坝工程的内部渗流状况实现连续、立体、灵敏、可靠的监测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光纤光栅水工渗压传感器，用于水利、土木工程中的渗透压力观测，具有抗电磁干扰、耐久可靠、精度高、易于遥测并可进行准分布式检测等众多优点。

为达到以上目的，本实用新型的解决方案是：

一种光纤光栅水工渗压传感器，其包括封装壳、中心柱、光纤，封装壳为扁椭球形壳体，中心柱设置于封装壳中心，其内埋有光纤光栅。

进一步，该中心柱采用硼硅酸盐PYREX类玻璃或其它低弹模材料。

该封装壳为空心壳体，其与中心柱焊接组装。

该封装壳的外部还串接有测量环境温度的光栅，其波长与中心柱内的光纤光栅波长不等。

该扁椭球形的封装壳厚度为1-2mm，其长轴长度≥80mm，短轴长度≤15mm，中心柱直径为1-2mm。

该传感器的参数为≥2000Kpa，分辨率为≤0.05％F.S，精度为≤0.02％F.S，温度范围为-20℃～+80℃。

由于采用了以上技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

具有结构简单、制作简便、防雷击及电磁干扰、耐久可靠、精度高、易于遥测、可实现准分布检测等显著特点。

附图说明

图1是光纤光栅水位传感器结构示意图。

图2是优化的结构型式。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型传感器优化设计为扁椭球形壳体1，壳体1中央安装一圆柱2，圆柱2中埋有光纤3光栅4。椭球形壳1的主要功能是用于压力增敏，将其外表面受到的水应力传递到中心柱2，引起中心柱2和其发生同步变形，从而调制中心柱2中光纤3光栅4中心反射波长的变化。测试波长移动大小，即可推知渗水压力大小。

对于水库和河道等大型工程，可以假定传感器所置局部工程环境温度相同。据此，在传感器封装壳1外部串联一光栅。该光栅与中心柱2内光纤3光栅4波长不等，且不受应力作用，用于测量环境温度，从而实现应变与温度交叉敏感的分离。

为获得足够的检测灵敏性，需对传感器的材料、几何构型和规格进行优选，优化目标为中心柱2的轴向应变。材料选用与光纤纤芯力学性质相近的硼硅酸盐PYREX类玻璃，以降低材料力学特性差异引起的非线性效应，以及应变传递损失，同时易于传感器的加工制作。材料也可选用其它低弹模材料。

结构型式和规格的优化，是基于对结构的应力-应变分析。分析采用三维有限单元法，以200m高水头压力作为最大计算控制荷载，以封装壳1内中心柱2最大轴向应变，优化分析传感器的型式和尺寸规格，有限元模型及结构优化分析结果见图2及下表1。

表1 优化的结构型式和规格

传感器制作。根据分析计算结果，首先分别制作传感器的封装壳1和中心柱2，然后将两者焊接组装，最后将光纤3光栅4封入中心柱2，即制成光纤传感器。

传感器所受水压与中心柱应变关系。水头h取50m、100m、150m，分别计算中心柱2相应的应变值ε，计入以上水头200m时的情况，得水位和中心柱2应变之间的关系见表2。由表2可见，两者成线性关系。

灵敏性检测。将模型放入高度大于1m的量筒底部，通过调节量筒内水位高度，测试光纤光栅中心反射波长和水位之间的变化关系。波长解调采用MicronOptics公司生产的Si425-500。取光纤光栅的中心反射波长选为1550nm，得测试结果列与下表3。

表2 传感器水头和中心柱应变关系