[发明专利]一种光纤式土压力传感器

说明书

本发明公开了一种光纤式土压力传感器，包括下壳体并与其上部配合连接的上壳体；所述上壳体与下壳体配合连接后整体构成扁平式壳体，其内部形成为空腔结构并与其端部的引出端连通设置，并在空腔内设置有压力传感装置；所述引出端连接有光纤护套；所述光纤护套的端部连接有输出光纤。本发明通过上壳体与下壳体中设置的等边菱形框架的压力传感装置，可将光栅栅区始终处于悬空状态，栅区产生均匀应变，避免了光栅反射光谱展宽及啁啾现象，在土中自由场压力测量时，可有效减小传感器与介质的匹配误差，并且光纤固定采用焊接工艺，避免了胶粘带来的蠕变、老化、失效等问题，提高了传感器的长期稳定性。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种光纤式土压力传感器。

背景技术

在岩土工程领域，通过土压力的测量获得土体或岩体的应力状态是实现工程稳定性分析与安全性评价的重要条件之一。目前，土压力测量主要是通过在土体中埋设土压力传感器(或称土压力计、或土压力盒)的方式实现。传统的土压力传感器主要有电阻应变式、压阻式、振弦式、差动电阻式和电感式等，但这类土压力传感器普遍存在长期稳定性差、易受电磁干扰、分布式测量难以实现等不足，无法满足长期监测的需要。

光纤光栅作为一种较新型的光纤传感元件，具有本质安全、抗电磁干扰、使用寿命长、易于组网等优点，基于光纤光栅的土压力传感器也渐渐成为人们研究的热点。目前提出的光纤光栅土压力传感器结构形式主要有：（1）膜片粘贴式。将一根光纤光栅粘贴于膜片中心处，通过膜片弯曲产生应变，带动粘结在其表面上的光纤光栅的输出波长发生变化，将土压力转换为光栅的输出。（2）传压杆+悬臂梁式。在压力敏感膜片中心设置传压杆，传感器内部设置悬臂梁，传压杆与悬臂梁自由度相连，膜片受压后中心产生一挠度，通过刚性的力传递杆以集中力的方式作用在悬臂梁的自由端。悬臂梁粘贴光纤光栅，光纤光栅感知悬臂梁的应变，实现对压力的测量。（3）膜片+固定柱式：在压力敏感膜片的内侧设置两个固定柱，在两固定柱上粘接或夹持光纤光栅，膜片受压挠曲变形后，两固定柱之间的相对距离发生变化，固定柱之间的光纤光栅受到拉伸产生应变，实现对压力的测量。（4）三角或菱形传力结构式：通过三角形或菱形金属传力结构将膜片中心处所受外界压力放大后直接作用于固定于传力结构的裸光栅两端，实现对压力的测量。

上述土压力传感器结构中，膜片粘贴式由于其是将光纤光栅完全粘贴于膜片，在膜片产生挠度时，易造成光栅的啁啾，引起光栅波峰的展宽或分裂，导致测量精度下降；悬臂梁式通常是采用环氧树脂固定光纤光栅，容易因胶老化而引起光纤光栅松弛，导致传感器的灵敏度、量程、最小分辨率等测量参数发生漂移；固定柱式存在结构复杂、体积大等缺点；三角或菱形传力结构式具有放大压力的作用，灵敏度高，光栅栅区可避免粘贴。其中，在中国专利《一种光纤光栅土压力传感器》（CN102162757A）公布的光栅土压力传感器结构的压力传递部件虽然采用菱形结构，但是其在菱形结构的左、右角之间的横向对角线上设置金属弹性膜片作为传力结构，将光纤光栅粘贴在金属弹性膜片上，金属膜片作为传力结构，同样存在膜片产生挠度时易造成光纤啁啾和容易因胶老化导致光纤光栅松弛的问题，另外传感器壳体的承压式顶盖与壳体采用弹性胶垫连接，同样存在老化问题，还存在线性差的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，设计了一种具有匹配误差小、测试精度高、稳定性高、环境适应性强等优点的光纤式土压力传感器。

为实现上述使用新型的目的，本发明采取以下技术方案：