[发明专利]一种土体封装的光纤光栅土体应变传感器

说明书

技术领域

本发明是一种用于土体应变，压缩变形监测的土体封装光纤光栅应变传感器封装方法及传感器，具体说就是利用光纤光栅的应变传感技术，通过一根两端固定经过预张拉的光纤光栅精确测量传感标距内小应变范围土体的平均应变，再通过一根两端固定经过预张拉的与微弹簧固结的光纤光栅对传感标距内大应变范围土体的平均应变实施略低精度监测：利用纯光纤光栅和与微弹簧固结的光纤光栅实现对土体结构全量程并具有多级监测精度的应变测量。本传感器使用土体材料对光纤光栅进行封装，实现对光纤光栅的保护。

背景技术

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术。光纤光栅以其具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺寸小、灵敏度高、精度高、频带宽、信噪比高等优点，而被广泛应用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、核工业、医学等领域，并且成为结构局部健康监测最理想的智能传感元件之一，近年来在结构健康监测中被广泛应用。

埋入式光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅技术的新型应变传感器，被广泛应用于工程监测领域，但是对土体压缩变形测试的传感器却很少涉及。目前已经报道的用于土体监测的传感器，均采用具有高弹性模量的材料进行传感器的弹性封装，这些传感器封装结构材料的弹性模量与待测量土体弹性模量不匹配，封装结构与待测土体不能协同变形，从而造成监测精度不准确。

发明内容

本发明提供了一种能够精确监测土体应变，压缩变形的光纤光栅传感器封装方法及其传感器。本传感器采用所监测的土体材料进行封装，利用相同的材料，克服了不同材料不同的弹性模量对监测结果的影响，因此该传感器具有良好的精度，能满足工程需要。为了实现对土体结构全量程具有多级监测精度的应变测量，本发明通过一根两端固定经过预张拉的光纤光栅对传感标距内小应变范围土体的平均应变的实施精确测量，通过一根两端固定经过预张拉的带弹簧的光纤光栅对传感标距内大应变范围土体的平均应变实施略低精度监测；通过上述一根预张拉光纤与一根预张拉弹簧光纤即可实现对土体结构全量程并具有多级监测精度的应变测量。

本发明的技术方案如下：

该种土体封装的光纤光栅土体应变传感器封装方法及其传感器包括：一根弹簧光纤光栅、一根纯光纤光栅、圆柱形压实土体封装结构、两根连通管、一个感温槽，一个温度传感器、铠装光缆和刚性封装板材。两根连通管沿预制的圆柱形压实土体封装结构轴线对称分布，一根处于张拉状态的弹簧光纤光栅置于一根连通管中，一根处于张拉状态的纯光纤光栅置于另一根连通管中；连通管采用不连续刚性封装管材，不连续部分采用高耐久性软管进行连接；弹簧光纤光栅的两端、纯光纤光栅的两端分别与各自所处的连通管两端固结：温度传感器置于感温槽中，弹簧光纤光栅、纯光纤光栅及温度传感器用铠装光缆连接引出。

为了实现对传感器测量结果的温度补偿，本发明通过一根一端自由的光纤光栅实现对温度的监测。为了消除封装材料弹模不匹配现象，传感器封装结构内部孔洞采用不连续封装管材进行保护，不连续部分采用高耐久性软管进行连接保护。为增强传感器与被监测土体的结合，在传感器两侧设置刚性封装板材；刚性板材与封装结构内封装管材牢固连接，确保监测结果准确。

本发明的有益效果是工艺简单，适于产业化生产，成本低廉；可以应用一台信号采集分析装置实现对多个传感器的监测；传感器所采用的封装材料为土体材料，测量精确度高。

附图说明

图1是圆柱形压实土体封装结构示意图。

图2是土体封装的光纤光栅土体应变传感器。

图3是本发明的封装光纤光栅土体应变传感器的A-A剖面图。

图4是本发明的封装光纤光栅土体应变传感器的B-B剖面图。

图中：1纯光纤光栅；2弹簧光纤光栅；3温度传感器；4连通管；5感温槽；6铠装光缆；7压实的土体封装结构；8刚性封装板材。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

光纤光栅土体应变传感器结构，结构如图1、图2、图3和图4所示，该传感器包括一根纯光纤光栅1、一根弹簧光纤光栅2、一个温度传感器3、两根连通管4、一个感温槽5、铠装光缆6、预制的压实土体封装结构7、刚性封装板材8。首先制作土体封装结构，在预制的圆柱形模具里预先放置两根连通管，为保证导入土体材料时连通管仍然呈直线状态，在连通管中插入刚性杆(刚性杆在土体封装结构制作完成后从连通管中抽出)，连通管固定好之后往模具里导入土体材料并预留感温槽(感温槽可用刚性直杆预留，土体封装结构制作完成后将刚性杆取出出)，导入土体材料后将其捣实，并拆模：然后制作光纤光栅土压力传感器，首先将一根纯光纤光栅和一根弹簧光纤光栅各自插入一根连通管中，之后用胶将纯光纤光栅、弹簧光纤光栅一端与各自所处的土体封装结构固结，然后后对纯光纤光栅、弹簧光纤光栅施加预应力，再固结纯光纤光栅、弹簧光纤光栅的另一端，然后将温度传感器置于感温槽中，最后用铠装光缆连接引出的纯光纤光栅、弹簧光纤光栅和温度传感器。