[实用新型]一种差动式光纤土压计

说明书

技术领域

本实用新型涉及土木工程监测技术领域，尤其涉及一种光纤土压计，适用于埋入式的土压力测量，如岩土工程、边坡、大坝、路基等工程结构土压力监测。

背景技术

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。

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。振弦式土压计、电阻应变式土压计、差动电阻式土压计以及电感式土压计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。

光纤土压计与传统的电学类土压计相比，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。

土压计特殊的应用环境，通常需要将其埋入到岩土介质中进行监测。这对于土压计的设计提出了严格要求。主要有：1)土压计一般应为圆饼形；2)为了与土更好地接触和传递土压力，土压计的径厚比(直径与厚度之比)一般应大于5～10。

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计。但是，这些光纤光栅土压计都是将光纤光栅粘结在弹性敏感材料表面，当外界土压力作用到介质材料上时，弹性敏感材料发生弯曲变形，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。这些技术方案的不足之处有：1)由于光纤光栅的栅区被直接粘结封装，容易使光纤光栅产生啁啾；2)利用弯曲材料表面的变形产生应变，灵敏度低；3)光纤光栅的栅区被直接粘结封装，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，但其不足之处有：1)增加了传感器的厚度，为了满足径厚比的要求，土压力传感器尺寸较大；2)该传感器结构复杂，工艺难度大；3)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，(1)：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；但不足之处有：1)该方案仅仅利用膜片变形产生的转角来进行增敏，没有考虑膜片变形挠度的影响，灵敏低；2)硬心膜片的加工工艺复杂；3)仅仅利用了土压计一侧膜片的变形，没有充分提高传感器的灵敏度。

因此，如何在保证径厚比的条件下减小土压计的体积，增大土压计的灵敏度，简化传感器的结构和工艺，使光纤光栅土压计更好的满足岩土介质监测要求成为目前亟需解决的问题。

本实用新型提出一种差动式光纤土压计，用于土木工程领域边坡、大坝等的土压力监测，重点解决土压计体积、灵敏度、结构简化以及封装工艺等问题。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种差动式光纤土压计，以解决土压计体积、灵敏度、结构简化以及封装工艺等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供了一种差动式光纤土压计，该差动式光纤土压计包括：压力盒10，为中空的圆饼形结构；圆形的盒盖20，设置于压力盒10的上端，密封压力盒10；设置于压力盒10内部第一支撑柱30和第二支撑柱31，二者与该差动式光纤土压计对称中心的距离相等；测量土压力的光纤光栅40，安装于第一支撑柱30及第二支撑柱31上；以及压力盒10侧壁上的光纤孔11，光纤光栅40的尾纤从该光纤孔11引出。

上述方案中，所述第一支撑柱30的一端安装于压力盒10的底部，另一端固定有光纤光栅40，所述第二支撑柱31的一端安装于压力盒10的盒盖20，另一端固定有光纤光栅40，所述光纤光栅40固定于第一支撑柱30的端部与第二支撑柱31的端部之间。

上述方案中，所述第一支撑柱30固定光纤光栅40的端部、所述第二支撑柱31固定光纤光栅40的端部和该差动式光纤土压计的对称中心三者处于同一直线。