CN101625273A - 一种光纤光栅渗压计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅渗压计，包括外壳、压力杆、光栅、传输光纤，其中，外壳上设有进压口和光纤引线孔，进压口处设有过滤网；外壳上设有膜片，膜片可以直接感受进压口处的压力；压力杆两端均与膜片连接，光栅埋设在压力杆中，传输光纤由光纤引线孔引出。使用：孔隙水通过进压口进入渗压计，作用在膜片上，使膜片发生挠度变形，同时转化成集中力作用在压力杆上，压力杆受到外力发生伸缩，使光栅在压力作用下中心波长发生变化。此时用光纤光栅解调仪检测光栅的中心波长，并由软件采集存储数据，即可实现渗压的检测。本发明具有测量精度高、体积小、抗电磁干扰、防水性能好、可长期监测等优点。

Description

一种光纤光栅渗压计

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅渗压计，属于光纤光栅传感领域。

背景技术

众所周知，大坝、隧道和煤矿的安全监测中最难的课题之一就是可靠地确定渗漏区的位置，只有快速准确的探明渗流(漏)所在位置以及流量，才能采取有效的防范和修复措施，所以渗流定位和渗流量定量化监测意义重大。

上世纪80年代以来，国内外投入了大量的人力物力，开展渗漏定位的监(检)测技术的研究。基本原理是检测隐患与周围岩土、混凝土等介质是否存在明显的物性(即电性、弹性、温度等)差异，或由此而引起的各种响应，克服背景干扰，把隐患的物理异常检测出来。目前，较精确的渗流监测手段主要有2种方法：监测渗透压力或监测渗流(M)量。渗流量的监测一般通过量测排水井、孔口处溢出的水量等手段进行，通常是较大范围内的渗流总量，用它作渗流区定位，效果不佳。渗透压力的监测则主要使用测压管及渗压计观测渗透压力，由于传感器的精度较高，因此监测较为准确可靠。

目前，大多采用电类渗压计，工程实践表明，此类渗压计体积大，精度不高、分辨率较低、对电参数要求十分苛刻、长期稳定性差，并且易受电磁干扰，严重限制了它们的广泛应用。

光纤光栅是一种性能优良的温度和应力传感器件，自从人们把光纤光栅用于传感，光纤光栅传感器以其独特的优势对传统的电传感器等提出了全新的挑战。它与传统的电传感器等相比尤其独特的优点：1.传感头结构简单、体积小、重量轻，适合附着在被测结构表面也可以埋入大型结构中，测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性高，重复性好；2.与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作；4.光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用等复用技术相结合，实现多点、分布式传感；5.测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤损耗等因素的影响，有较强的抗干扰能力；6.高灵敏度、高分辩力。

很多研究机构开始了光纤渗压传感器的研究，吴永红等设计了双光纤型反射式水工渗压传感器，测量精度高，但设计原理和制作工艺都非常复杂；佟成果等发明了双膜盒反射式压力传感器，结构简单，但量程小；夏元友等设计了基于聚氨酯弹性材料的光纤光栅渗压传感器，并应用在公路软基等土木工程中，但是弹性材料的重复性能差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种测量精度高、体积小、具有良好防水性能的光纤光栅渗压计，其可抗电磁干扰，并且可以长期监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光纤光栅渗压计，其特征在于：包括外壳、压力杆、光栅、传输光纤，其中，外壳上设有进压口和光纤引线孔，进压口处设有过滤网，可以有效阻止泥沙进入渗压计内；外壳由左、中、右三部分组成，左、右两部分与中间部分通过螺纹连接，中间部分两侧设有膜片，膜片可以直接感受进压口处的压力；压力杆两端均与膜片连接，光栅埋设在压力杆中，传输光纤由光纤引线孔引出。

所述膜片焊接在外壳上。

所述光栅为Bragg光栅。

所述压力杆通过高强度胶粘剂粘结在膜片的中心。

所述光栅沿压力杆的轴线分布，通过检测压力杆的伸缩变形来检测渗压值。

所述压力杆是由匀质弹性材料制成的，具有较强的弹性，且材质均匀，受力均匀。

使用：孔隙水通过进压口进入渗压计，作用在膜片上，使膜片发生挠度变形，同时转化成集中力作用在压力杆上，压力杆受到外力发生伸缩，使光栅在压力作用下中心波长发生变化。此时用光纤光栅解调仪检测光栅的中心波长，并由软件采集存储数据，即可实现渗压的检测(光纤光栅解调仪为现有技术中常用的设备，在此不再详述)。

本发明基于全光信号设计，没有电子器件，因此具有良好的防水性能，不存在电火花隐患，并且抗电磁干扰。本发明采用了双膜片，并且采用了高韧性的压力杆，提高了测量精度和测量的可靠性。本发明具有测量精度高、体积小、抗电磁干扰、防水性能好、可长期监测等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中心波长随压力的变化关系曲线图；

图3为本发明的中心波长随温度的变化关系曲线图。

其中，1、外壳；2、膜片；3、压力杆；4、光栅；5、进压口；6、光纤引线孔；7、过滤网；8、传输光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

一种光纤光栅渗压计，如图1所示，包括外壳1、压力杆3、光栅4、传输光纤8，其中，外壳1上设有进压口5和光纤引线孔6，进压口5处设有过滤网7，可以有效阻止泥沙进入渗压计内；外壳1由左、中、右三部分组成，左、右两部分与中间部分通过螺纹连接，中间部分两侧焊接有膜片2，膜片2可以直接感受进压口5处的压力；压力杆3两端通过高强度胶粘剂粘结在膜片2的中心，光栅4埋设在压力杆3中，光栅4沿压力杆3的轴线分布，通过检测压力杆3的伸缩变形来检测渗压值；传输光纤8由光纤引线孔6引出。所述光栅4为Bragg光栅。所述压力杆3是由匀质弹性材料制成的，具有较强的弹性，且材质均匀，受力均匀。

本发明的制作过程为：首先，将光栅4埋设在压力导杆3中，要保持二者的轴线一致；第二步，将压力导杆3的两端分别粘结在两个膜片2上；第三步，将膜片2焊接在外壳1上，并将传输光纤由光纤引线孔6引出；最后，将渗压计组装完成，并在进压口5处贴上金属滤网。

使用：孔隙水通过进压口5进入渗压计，作用在膜片2上，使膜片2发生挠度变形，其中心产生垂直膜片2方向的位移，转化成集中力作用在压力杆3上，压力杆3受到外力发生伸缩，使光栅4在压力作用下中心波长发生变化。此时用光纤光栅解调仪检测光栅的中心波长，并由软件采集存储数据，即可实现渗压的检测。

为了实现本发明的目的，首先在恒温条件下对渗压计进行标定，光栅4的中心波长随压力的变化关系，如图2所示，中心波长变化量(nm)和压力(KPa)的线性关系分别为y＝0.0363x-0.1869和，线性度R²分别为0.9945，这说明本发明是一个线性度非常好的实验模型，并且具有一般性。

为了对压力参数进行有效的温度补偿，对渗压计进行了温度标定，本发明的渗压计的中心波长随温度的变化关系如图3所示，中心波长变化量(nm)和温度(℃)的线性关系分别为y＝0.0113x-0.0201，线性度R²分别为0.9973。

在现场检测中，首先在本渗压计处放一温度传感器，测量待测点温度的变化情况，再根据本发明的中心波长随温度的变化关系消除温度的影响，最后即可根据本发明的中心波长随压力的变化关系测得待测点的压力变化情况。

通过以上测量方法，可以使光纤光栅渗压计的检测精度达到0.1％F.S，有效提高了检测的质量和效率。

Claims (6)

1.一种光纤光栅渗压计，其特征在于：包括外壳(1)、压力杆(3)、光栅(4)、传输光纤(8)，其中，外壳(1)上设有进压口(5)和光纤引线孔(6)，进压口(5)处设有过滤网(7)；外壳(1)由左、中、右三部分组成，左、右两部分与中间部分通过螺纹连接，中间部分两侧设有膜片(2)，膜片可以直接感受进压口(5)处的压力；压力杆(3)两端均与膜片(2)连接，光栅(4)埋设在压力杆(3)中，传输光纤(8)由光纤引线孔(6)引出。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅渗压计，其特征在于：所述膜片(2)焊接在外壳(1)上。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅渗压计，其特征在于：所述光栅(4)为Bragg光栅。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力杆(3)通过高强度胶粘剂粘结在膜片(2)的中心。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅渗压计，其特征在于：所述光栅(4)沿压力杆(3)的轴线分布，通过检测压力杆(3)的伸缩变形来检测渗压值。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅渗压计，其特征在于：所述压力杆(3)是由匀质弹性材料制成的。

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