用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计转让专利
申请号 : CN200810138974.0
文献号 : CN101344381B
文献日 : 2010-10-13
发明人 : 朱维申 , 隋青美 , 孙林锋 , 李术才 , 黄蒙
申请人 : 山东大学
摘要 :
本发明公开了一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计。它解决了目前位移测量装置结构复杂，操作不便，成本高，测量精度不佳等问题，具有结构简单，使用方便，成本低廉且测量精度高等优点。其结构为：它包括弹簧单元、调节螺栓、量测单元以及钢丝绳，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与量测单元连接；量测单元另一端则与调节螺栓连接。
权利要求 :
1.一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，它包括弹簧单元、调节螺栓、光纤量测单元以及钢丝绳，其特征是，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓连接；所述弹簧单元为直径5mm～8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元；所述光纤量测单元为聚乙烯棒，其上粘贴光纤光栅；所述聚乙烯棒是弹性模量为50Mpa～100Mpa的3mm直径圆棒；所述钢丝绳直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计。
背景技术
以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展；反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是由于工程建设的需要而发展起来的。进行地质力学模型试验，就必然要进行相应的位移测量。位移测量多采用位移传感器进行测量，以下先对国内外一些主要应用于模型试验的位移测量方法和设备进行介绍：
(1)在大朝山水电站岩壁吊车梁模型试验研究采用了百分表对位移标定进行位移测量，这种古老的方法无法应用无模型内部测点的测量。
(2)总参工程兵科研三所研制了一套由模型块体内的预埋件和外部的千分表组成的联杆系统，解决了洞壁绝对位移的量测问题。这套系统采用千分表进行测量，精度较低。采用联杆件进行位移传递，占用模型内部空间大，并影响模型自身变形。
(3)山东大学研制了一套由光栅尺，钢丝绳和模型块体内预埋件组成的多点位移计系统，测量精度高。它需要把位移通过钢丝绳传递到模型外部进行测量。当钢丝绳遇到洞室或其他不可穿越的结构时，就无法将位移传递到外部的光栅尺进行测量。
(4)在三维模型中，地质构造(如断层或夹层)内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用0.5mm厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴4片电阻片，组成全桥电路，使用时将其埋设在构造面的下盘，其上埋一个固定桩，这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。这种位移计可以埋设在模型内部，但是由于位移计只能埋设在测点附件，并采用固定桩进行位移传递，这样大大破坏了测点周边模型材料，并阻碍对模型自身的变形，无法应用于两个洞室间边墙的位移测量。
(1)在大朝山水电站岩壁吊车梁模型试验研究采用了百分表对位移标定进行位移测量，这种古老的方法无法应用无模型内部测点的测量。
(2)总参工程兵科研三所研制了一套由模型块体内的预埋件和外部的千分表组成的联杆系统，解决了洞壁绝对位移的量测问题。这套系统采用千分表进行测量，精度较低。采用联杆件进行位移传递，占用模型内部空间大，并影响模型自身变形。
(3)山东大学研制了一套由光栅尺，钢丝绳和模型块体内预埋件组成的多点位移计系统，测量精度高。它需要把位移通过钢丝绳传递到模型外部进行测量。当钢丝绳遇到洞室或其他不可穿越的结构时，就无法将位移传递到外部的光栅尺进行测量。
(4)在三维模型中，地质构造(如断层或夹层)内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用0.5mm厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴4片电阻片，组成全桥电路，使用时将其埋设在构造面的下盘，其上埋一个固定桩，这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。这种位移计可以埋设在模型内部，但是由于位移计只能埋设在测点附件，并采用固定桩进行位移传递，这样大大破坏了测点周边模型材料，并阻碍对模型自身的变形，无法应用于两个洞室间边墙的位移测量。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前位移测量装置体型过大、结构复杂、操作不便、成本高、测量精度不佳等问题，提供一种具有结构简单，使用方便，成本低廉且测量精度高等优点的用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，它包括弹簧单元、调节螺栓、光纤量测单元以及钢丝绳，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓连接。
所述弹簧单元为直径5mm～8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元。
所述光纤量测单元的基体为聚乙烯棒，其上粘贴光纤光栅。
所述聚乙烯棒是弹性模量为50Mpa～100Mpa的3mm直径圆棒。
所述钢丝绳直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计主要由五个部分组成，有弹簧单元、调节螺栓、聚乙烯棒、光纤光栅、以及钢丝绳子组成。弹簧直径为5mm～8mm，可以根据具体的测量要求采用不同直径的弹簧钢丝制作，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元；调节螺栓可以用来调节位移计的初始状态，避免位移计超过量测范围；聚乙烯棒是粘贴光栅传感器的基体，弹性模量为50Mpa～100Mpa，制作成3mm直径的圆棒，刚度较小，在很小的作用力下可以产生较大的应变，对位移响应的灵敏度高，也可以根据测量要求选用其他材料作为基体；钢丝绳直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成，刚度大并且柔软，用于在位移计受拉时传递位移。光纤光栅在受到应力和温度改变时，引起光栅布拉格波长漂移，其中温度产生的波长漂移可以通过设置温度补偿进行消除，因此以波长的漂移量作为因变量，与光纤应变有对应关系。光纤光栅对应变响应的灵敏度高，粘贴在聚乙烯棒表面测量聚乙烯棒产生微小形变所引起的光栅波长漂移量，可使得位移计的精度提高到0.001mm。光栅位移计采用弹簧进行受力，不超过弹簧弹性极限长度的位移都可以测量，同时光栅的极限应变为3000微应变，可使位移计量程达到2mm。光栅应变位移计所使用的部件都为棒状，尺寸都不大于8mm，外部采用1cm的塑料管进行保护，可以埋设在模型内部进行测量。
本发明的有益效果是：
(1)占用空间小。埋设在模型内部所需空间小，可减少对模型材料的破坏；
(2)精度高。采用光纤光栅作为应变传感器，精度较同类位移计高；
(3)位移计尺寸可变。根据不同类型不同尺寸模型试验的需要，改变光栅位移计的长度和直径，以适应模型试验的要求。
(4)可调节性。光栅位移计埋设到模型内部后，因为其他因素是的位移计初始状态改变，可以通过调节装置改变其初始状态，使其符合以后的量测要求。
(5)可以埋设于模型内部。在无法将位移传递到模型外部进行测量时，可以将悬臂梁式位移计埋设在模型内部，引出信号线进行测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于模型试验的微型内置拉伸型光纤弹簧组合式位移计，它包括弹簧单元、调节螺栓、光纤量测单元以及钢丝绳，所述弹簧单元一端通过钢丝绳固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓连接。
所述弹簧单元为直径5mm～8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元。
所述光纤量测单元的基体为聚乙烯棒，其上粘贴光纤光栅。
所述聚乙烯棒是弹性模量为50Mpa～100Mpa的3mm直径圆棒。
所述钢丝绳直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计主要由五个部分组成，有弹簧单元、调节螺栓、聚乙烯棒、光纤光栅、以及钢丝绳子组成。弹簧直径为5mm～8mm，可以根据具体的测量要求采用不同直径的弹簧钢丝制作，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元；调节螺栓可以用来调节位移计的初始状态，避免位移计超过量测范围；聚乙烯棒是粘贴光栅传感器的基体，弹性模量为50Mpa～100Mpa，制作成3mm直径的圆棒，刚度较小，在很小的作用力下可以产生较大的应变，对位移响应的灵敏度高，也可以根据测量要求选用其他材料作为基体；钢丝绳直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成，刚度大并且柔软，用于在位移计受拉时传递位移。光纤光栅在受到应力和温度改变时，引起光栅布拉格波长漂移，其中温度产生的波长漂移可以通过设置温度补偿进行消除，因此以波长的漂移量作为因变量，与光纤应变有对应关系。光纤光栅对应变响应的灵敏度高，粘贴在聚乙烯棒表面测量聚乙烯棒产生微小形变所引起的光栅波长漂移量，可使得位移计的精度提高到0.001mm。光栅位移计采用弹簧进行受力，不超过弹簧弹性极限长度的位移都可以测量，同时光栅的极限应变为3000微应变，可使位移计量程达到2mm。光栅应变位移计所使用的部件都为棒状，尺寸都不大于8mm，外部采用1cm的塑料管进行保护，可以埋设在模型内部进行测量。
本发明的有益效果是：
(1)占用空间小。埋设在模型内部所需空间小，可减少对模型材料的破坏；
(2)精度高。采用光纤光栅作为应变传感器，精度较同类位移计高；
(3)位移计尺寸可变。根据不同类型不同尺寸模型试验的需要，改变光栅位移计的长度和直径，以适应模型试验的要求。
(4)可调节性。光栅位移计埋设到模型内部后，因为其他因素是的位移计初始状态改变，可以通过调节装置改变其初始状态，使其符合以后的量测要求。
(5)可以埋设于模型内部。在无法将位移传递到模型外部进行测量时，可以将悬臂梁式位移计埋设在模型内部，引出信号线进行测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1.调节螺栓，2.聚乙烯棒，3.光纤光栅，4.弹簧单元，5.钢丝绳。
其中，1.调节螺栓，2.聚乙烯棒，3.光纤光栅，4.弹簧单元，5.钢丝绳。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，它包括弹簧单元4、调节螺栓1、光纤量测单元以及钢丝绳5，弹簧单元4一端通过钢丝绳5固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓1连接。
弹簧单元为4直径5mm～8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元。
光纤量测单元的基体为聚乙烯棒2，其上粘贴光纤光栅3。
聚乙烯棒2是弹性模量为50Mpa～100Mpa的3mm直径圆棒。
钢丝绳5直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计的主要机理：两段固定点的位移通过钢丝绳传递给弹性元(由弹簧和聚乙烯棒组成)，弹性元受拉产生的拉力，拉力的大小跟位移大小成正比，同时粘贴光纤光栅的聚乙烯棒受拉的应变跟拉力也成正比，因而位移与聚乙烯棒拉应变成对应关系。由于光栅传感器粘贴在聚乙烯棒上，聚乙烯棒的应变就传递给光栅传感器，光栅传感器的应变量可以通过波长漂移量确定出来。因此可以知道位移变化量x是波长λ的函数f(λ)，即x＝f(λ)。这种函数关系通过标定试验确定。
A.光栅应变位移计设计原理：
弹性元件：
1.弹性元件的原理
光纤量测单元为一粗细均匀的均质细杆，弹簧单元可以为一个或一组弹簧。设弹簧单元的刚度系数为K1，光纤量测单元的抗拉刚度为K2，E为光纤量测单元所用材料的弹性模量，A为细杆的横截面积，L为细杆的长度。根据结构力学可以得到，光纤量测单元的抗拉刚度K2＝EA/L系统的总刚度为
K＝K1K2/(K1+K2)
弹性元件受力F与位移f的关系为F＝Kf，而在光纤量测单元中应变与力的关系为F＝EAε。可以得到弹性元件的应变与位移的关系ε＝Kf/EA
灵敏度为dε/df＝K/EA
2.弹性元件的设计
由灵敏度dε/df＝K/EA＝1/(L+EA/K1)，可以看出只要调整光纤量测单元材料的弹性模量E、细杆的横截面积A和细杆的长度L以及弹簧单元的刚度系数K1就可以根据量测需要调整弹性元件的灵敏度。设C＝K2/K1为光纤量测单元与弹簧单元的刚度比，又可以得到dε/df＝(1/L)/(1+K2/K1)＝1/L(C+1)。
另外，光纤量测单元的材料参数还需要满足光栅传感器最大极限应变和光栅自身灵敏度的要求，并满足测量的最大量程。设光栅的最大极限应变为εmax，所需要的量测为d，则最大灵敏度为εmax/d。
令弹性单元灵敏度为εmax/d，则εmax/d＝1/L(C+1)。L可以根据光栅传感器最小粘贴所需长度确定。代入上式就可以确定C。
弹性元件的受到的变形力为F＝Kf，其中K＝K1C/(C+1)。弹性元件受到的变形力越大，其抵抗外力干扰能力就越强，稳定性就越高好，但是受到的变形力越大，就阻碍了被测体的变形。应当根据所被测物的实际条件，确定K1值。
也可以根据所选用的光纤量测单元的材料性质，先确定K2，在根据C求得K。模型试验需要的量测为1mm，光栅的极限应变为2000×10-6，则最大灵敏度为2。光栅传感器最小粘贴所需长度L为7cm。可以得到C＝6.14。
由于模型试验测量的边墙位移为被动位移，变形力过大会阻碍边墙位移，因而弹性元件所受变形力应当小一些，并且能满足稳定性要求。选用的材料为聚乙烯圆棒，弹性模量E为50～100Mpa，取100Mpa。圆棒子直径为3mm。K2＝10092N/mm，K1＝1643N/mm。
B.光纤光栅应变测量
光纤光栅应变测量原理
在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应力参量。应力引起光栅布拉格波长漂移可以由下式描述：
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ
式中：ΔλB是波长漂移量，neff是光纤的有效折射率，ΔΛ表示光纤本身在应力作用下的弹性变形，Δneff表示光纤的弹光效应，Λ表示光线光栅的栅距。外界不同的应力状态将导致ΔΛ和Δneff的不同变化。经过推导得：
ΔλB/λB＝{0.5(neff)2[(P11+P12)v-P12]+1}ε＝kε(2)
式中：λB为反射光的初始波长，P11，P12为光纤材料的光弹性系数，neff是光纤的有效折射率，v为光纤材料的泊松比，k即为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数，ε光纤材料的轴向应变值。利用纯熔融石英的参数，P11＝0.121，P12＝0.270，v＝0.17，neff＝1.456，可得光纤光栅相对波长漂移应变灵敏度系数k＝0.784。同时，与外加应力相似，外界温度的改变同样也会引起光纤光栅Bragg波长的漂移。在模型中埋入了一个封装好的温度传感器，该传感器只感受温度的变化，不受应变的影响，以便对光纤光栅应变传感器进行温度补偿。
ΔλB/λB＝kε可以看出漂移量与应变在一定应变范围内是基本成线性的。
公式可以变为ΔλB＝kλBε，左右都加上λB，得到λ＝kλBε+λB，λ为布拉格光栅的波长。因此可以标定λ与ε的关系。
图1中，它包括弹簧单元4、调节螺栓1、光纤量测单元以及钢丝绳5，弹簧单元4一端通过钢丝绳5固定，另一端与光纤量测单元连接；光纤量测单元另一端则与调节螺栓1连接。
弹簧单元为4直径5mm～8mm的弹簧，由不同直径的弹簧钢丝制成，进行串并联制作成所需刚度的弹簧单元。
光纤量测单元的基体为聚乙烯棒2，其上粘贴光纤光栅3。
聚乙烯棒2是弹性模量为50Mpa～100Mpa的3mm直径圆棒。
钢丝绳5直径为0.5mm，由7×7股细钢丝绞成。
光栅应变位移计的主要机理：两段固定点的位移通过钢丝绳传递给弹性元(由弹簧和聚乙烯棒组成)，弹性元受拉产生的拉力，拉力的大小跟位移大小成正比，同时粘贴光纤光栅的聚乙烯棒受拉的应变跟拉力也成正比，因而位移与聚乙烯棒拉应变成对应关系。由于光栅传感器粘贴在聚乙烯棒上，聚乙烯棒的应变就传递给光栅传感器，光栅传感器的应变量可以通过波长漂移量确定出来。因此可以知道位移变化量x是波长λ的函数f(λ)，即x＝f(λ)。这种函数关系通过标定试验确定。
A.光栅应变位移计设计原理：
弹性元件：
1.弹性元件的原理
光纤量测单元为一粗细均匀的均质细杆，弹簧单元可以为一个或一组弹簧。设弹簧单元的刚度系数为K1，光纤量测单元的抗拉刚度为K2，E为光纤量测单元所用材料的弹性模量，A为细杆的横截面积，L为细杆的长度。根据结构力学可以得到，光纤量测单元的抗拉刚度K2＝EA/L系统的总刚度为
K＝K1K2/(K1+K2)
弹性元件受力F与位移f的关系为F＝Kf，而在光纤量测单元中应变与力的关系为F＝EAε。可以得到弹性元件的应变与位移的关系ε＝Kf/EA
灵敏度为dε/df＝K/EA
2.弹性元件的设计
由灵敏度dε/df＝K/EA＝1/(L+EA/K1)，可以看出只要调整光纤量测单元材料的弹性模量E、细杆的横截面积A和细杆的长度L以及弹簧单元的刚度系数K1就可以根据量测需要调整弹性元件的灵敏度。设C＝K2/K1为光纤量测单元与弹簧单元的刚度比，又可以得到dε/df＝(1/L)/(1+K2/K1)＝1/L(C+1)。
另外，光纤量测单元的材料参数还需要满足光栅传感器最大极限应变和光栅自身灵敏度的要求，并满足测量的最大量程。设光栅的最大极限应变为εmax，所需要的量测为d，则最大灵敏度为εmax/d。
令弹性单元灵敏度为εmax/d，则εmax/d＝1/L(C+1)。L可以根据光栅传感器最小粘贴所需长度确定。代入上式就可以确定C。
弹性元件的受到的变形力为F＝Kf，其中K＝K1C/(C+1)。弹性元件受到的变形力越大，其抵抗外力干扰能力就越强，稳定性就越高好，但是受到的变形力越大，就阻碍了被测体的变形。应当根据所被测物的实际条件，确定K1值。
也可以根据所选用的光纤量测单元的材料性质，先确定K2，在根据C求得K。模型试验需要的量测为1mm，光栅的极限应变为2000×10-6，则最大灵敏度为2。光栅传感器最小粘贴所需长度L为7cm。可以得到C＝6.14。
由于模型试验测量的边墙位移为被动位移，变形力过大会阻碍边墙位移，因而弹性元件所受变形力应当小一些，并且能满足稳定性要求。选用的材料为聚乙烯圆棒，弹性模量E为50～100Mpa，取100Mpa。圆棒子直径为3mm。K2＝10092N/mm，K1＝1643N/mm。
B.光纤光栅应变测量
光纤光栅应变测量原理
在所有引起光栅布拉格波长漂移的外界因素中，最直接的为应力参量。应力引起光栅布拉格波长漂移可以由下式描述：
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ
式中：ΔλB是波长漂移量，neff是光纤的有效折射率，ΔΛ表示光纤本身在应力作用下的弹性变形，Δneff表示光纤的弹光效应，Λ表示光线光栅的栅距。外界不同的应力状态将导致ΔΛ和Δneff的不同变化。经过推导得：
ΔλB/λB＝{0.5(neff)2[(P11+P12)v-P12]+1}ε＝kε(2)
式中：λB为反射光的初始波长，P11，P12为光纤材料的光弹性系数，neff是光纤的有效折射率，v为光纤材料的泊松比，k即为光纤光栅由弹光效应引起的波长漂移纵向应变灵敏度系数，ε光纤材料的轴向应变值。利用纯熔融石英的参数，P11＝0.121，P12＝0.270，v＝0.17，neff＝1.456，可得光纤光栅相对波长漂移应变灵敏度系数k＝0.784。同时，与外加应力相似，外界温度的改变同样也会引起光纤光栅Bragg波长的漂移。在模型中埋入了一个封装好的温度传感器，该传感器只感受温度的变化，不受应变的影响，以便对光纤光栅应变传感器进行温度补偿。
ΔλB/λB＝kε可以看出漂移量与应变在一定应变范围内是基本成线性的。
公式可以变为ΔλB＝kλBε，左右都加上λB，得到λ＝kλBε+λB，λ为布拉格光栅的波长。因此可以标定λ与ε的关系。