专利名称：工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于桥梁结构健康监测技术领域，具体涉及一种工程化高耐久性光纤
光栅静力水准仪。
背景技术：
桥梁结构的几何变位是反映桥梁体系受力状态的重要参量。其中基础不均匀沉降 会引起主梁边界条件的显著变化，进而导致主梁产生附加内力及偏离原来的合理线形，对 桥梁的安全性和使用性都造成不利影响；主梁线形是基础沉降、锚索张力(斜拉桥、悬索桥 体系)和自身刚度退化多因素共同作用的结果，是反映桥梁健康状态的一个综合性指标， 同时主梁线形还与路面平顺性密切相关，影响桥梁的使用性能。因此，基础不均匀沉降监测 和主梁线形监测是许多桥梁健康监测系统的重要内容。 目前适用于结构位移长期监测(包括基础不均匀沉降监测和主梁线形监测)的方 法有GPS、全站仪和静力水准仪等。GPS监测的优点是可以获得实时的站点位置三维空间坐 标，监测结果基本不受恶劣天气的影响；其缺点有精度尚待进一步提高、设备昂贵以及对遮 蔽物要求严格不适合用于基础沉降的监测等。利用全站仪监测结构位移只需要在结构测点 上安装反射棱镜，全站仪逐一扫描各个反射棱镜的位置并记录棱镜中心的三维坐标，全部 测量过程可以通过设定的机载程序驱动全站仪马达自动完成。该方法的优点是只要通视条 件满足一部全站仪可以测量任意多位置的三维坐标，其缺点是测量结果的实时性和同步性 差，且严重受天气条件的制约。静力水准仪是基于连通器原理监测结构在竖直方向上的相 对位移，虽然监测信息远不及GPS监测信息丰富，但是所获信息已能够满足监测目的的要 求。综合比较，静力水准仪因精度高、造价低、对安装位置和环境要求低、实时采集数据等优 点，获得桥梁工程师的青睐，成为应用最广的结构位移监测手段。 然而，传统的静力水准仪存在长期稳定性差、难于组建传感网络、远距离传输信号 衰减严重等局限性。不能满足对结构位移长期监测的要求。因此，能够长期可靠地监测结 构位移的新型静力水准仪成为健康监测领域追求的目标。近期飞速发展的光纤光栅传感技 术为实现上述目标提供了良好的技术手段。作为敏感元件光纤光栅具有高精度、耐腐蚀、抗 电磁干扰、集"传"与"感"于一体，易于构成传感网络等独特优点。在此基础上进行光纤光 栅静力水准仪的开发将具有重大的工程意义，并具有广阔的应用前景。

发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单、温度自补偿、耐久性与灵敏度高、布设 方便的工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪。 本实用新型提出的工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪，由刚性横梁1、连通管 2、容器3、光纤光栅温度补偿传感器4、光纤光栅应变传感器5、传感器固定框6及连接梁7 组成，刚性横梁1通过钢绞线悬吊于结构物的底部，连通管2在刚性横梁1左右各1根，两 根连通管2通过刚性横梁1连接，容器3顶板上开有两个圆形孔，两根连通管2分别穿过圆形孔延伸至容器3内部，连通管2管口与容器3底壁间留有一定距离；刚性横梁1和传感器 固定框6通过钢绞线连接，光纤光栅温度补偿传感器4 一端固定于传感器固定框6的侧壁 上、另一端自由不受约束；传感器固定框6下方连接有光纤光栅应变传感器5 ;光纤光栅应 变传感器5底部通过连接梁7与容器3顶板连接，且光纤光栅温度补偿传感器4、光纤光栅 应变传感器5及容器3三者的重心在同一铅直线上。 本实用新型中，相邻的静力水准仪通过连通管2连接构成连通器，当结构变形导 致水准仪测点的相对位置发生变化时，相互连通的静力水准仪的容器内液面仍会保持在相 同的水平高度。因此，测点之间的相对位移可以用静力水准仪容器中液体深度的差值来度 量。上述是所有静力水准仪的基本工作原理，各种类型静力水准仪的区别在于如何测量容 器中液体深度，区分水准仪性能优劣的关键也在于此。 本实用新型采用称重方法测量液体深度，这种方法最简单，同时也最准确，但是需 要克服两个困难才能达到精确测量容器中液体深度的目的①必须始终保持静力水准仪处 于铅直方向；②必须排除连通管对重力测量的影响。正是因为这两个困难，水准仪家族中一 直没有基于称重方法的产品出现。本实用新型采用了如下的设计克服前述困难①连通管 及其固定装置位于称重传感器之上，其重力由结构物承担，不干扰对容器和容器中液体重 力的测量；②刚性横梁与结构及称重传感器之间都采用钢绞线连接，采用柔性约束保证悬 吊的对称结构处于铅直方向。 通过简单的力学分析可知容器中液体深度发生变化时应变传感器对应的应变量
为
表的意义如下
由光纤光栅传感原理有光纤光^
f波长漂移^ = A
+ 7^/^公式中各变量代
e应变传感器的应变 s容器截面面积 g重力加速度 a入光纤光栅的波长漂移
KE应变一波长灵敏度系数
P液体密度
h液体深度变化量
ea应变传感器的抗拉刚度
入光纤光栅的谐振波长 KT温度一波长灵敏度系数
△ t温度变化 应变传感器同时受到因容器和液体的重力产生的拉力与温度变化两种作用，其 波长漂移还不是容器中液体深度变化的直接度量，必须剥离温度效应，才能建立光栅波 长漂移与液体深度变化的联系。温度传感器与应变传感器完全相同，只是单端固定而不 受轴向拉力作用，其波长漂移完全由温度变化引起。温度传感器与应变传感器处于相同 的温度场，对温度变化有相同的反映。因此，温度传感器波长漂移可以补偿应变传感器 波长漂移中由温度变化引起的部分。综上所述，传感器输出与液体深度变化的关系为<formula>formula see original document page 4</formula>本实用新型具有如下优点
1、 结构简单，传感误差易控制；
2、 继承了光纤光栅传感的优势，精度高，长期耐久性好；
3、 量程和灵敏度的优化可以通过改变容器的高度与截面面积轻松实现；
4、 与结构通过钢绞线连接符合传感器布设对高程的要求，安装方便。
图1为本实用新型的主要组成配件。
图2为本实用新型的结构示意图。 图中标号1为刚性横梁，2为连通管，3为容器，4为光纤光栅温度补偿传感器，5 为光纤光栅应变传感器，6为传感器固定框，7为连接梁。
具体实施方式下面通过实施例结合附图进一步说明本实用新型。
实施例1 : 刚性横梁1的主体是长108mm、宽8mm、高20mm的长方体，其长度方向的两端有用 于固定连通管的环扣。连通管2有2根，分别固定在刚性横梁的左右两侧，其内径为20mm， 外径为24mm。连通管沿轴线可分为3段，第一段为直管、长500mm，第二段为弯管、弯曲半径 为50mm、转角为90。，第三段为直管，长100mm。容器3的长、宽、高均为300mm，壁厚5mm， 容器3的顶板为长340mm、宽340mm、厚5mm的方形板，板上设有直径30mm圆孔，两个孔圆心 的位置为距横边170mm，距离最近的纵边100mm。光纤光栅温度传感器4与光纤光栅应变传 感器5是型号形同的光纤光栅传感器，只是被赋予不同的职能。其外观形状是直径10mm， 长120mm的圆柱体。在传感器两端外表面刻有15mm用于固定的螺纹。传感器固定框6为 结构简单的金属框，其外侧长80mm，宽40mm，厚20mm。顶壁和底壁的厚度为10mm，侧壁厚度 为5mm。在侧壁上留有固定光纤光栅温度传感器4的圆孔、直径110mm，孔圆心距顶壁内侧 30m。在底壁的中心亦留有直径110mm的圆孔，用于固定光纤光栅应变传感器5。连接梁7 为连接容器3的顶板和光纤光栅应变传感器5而设，其厚度为5mm、宽度为20mm、立面形状 可分5段，各段的长度分别是20mm、30mm、95mm、30mm、20mm。 如图1和图2所示，本装置由刚性横梁1、连通管2、容器3、光纤光栅温度补偿传 感器4和光纤光栅应变传感器5、传感器固定框6及连接梁7组成，刚性横梁1通过钢绞线 悬吊于结构物的底部，刚性横梁1的两侧各固定连通管2—根，容器3的顶板开有两个直径 稍大于连通管2的圆形孔，连通管2穿过圆形孔延伸至容器3内部，连通管2管口与容器3 底壁留有一定距离。光纤光栅温度补偿传感器4和光纤光栅应变传感器5由传感器固定框 6连接构成称重传感器系统，该系统上部通过钢绞线与刚性横梁1连接，下部通过连接梁与 容器3的顶板相连、光纤光栅温度补偿传感器4与光纤光栅应变传感器5三者焊接在一起， 焊接位置需保证容器重心和称重传感器系统重心在同一铅直线上。 本实用新型的工作过程如下 相邻的静力水准仪通过连通管2连接构成连通器，结构变形导致水准仪测点的相 对位置发生变化时，相互连通的静力水准仪的容器3内液面始终保持在相同的水平高程， 但是每一静力水准仪的容器3内液体的深度会发生变化。由于容器通过连接梁7与光纤光 栅应变传感器5相连，容器3内液体深度增大(减小)，施加给光纤光栅应变传感器5的拉 力会随之增大(减小)，进而导致传感器敏感元件光纤光栅发生的应变增大(减小)。根据 光纤光栅的工作原理，光纤光栅应变传感器5会输出与此应变变化量成正比的波长漂移。 综上所述，光纤光栅应变传感器5输出的波长漂移表征容器3内液体深度的变化。但是光纤光栅应变传感器5同时受到拉力与温度变化两种作用，其波长漂移还不是容器中液体深 度变化的直接度量，必须剥离温度效应，才能建立光栅波长漂移与液体深度变化的联系。光 纤光栅应变传感器4与光纤光栅应变传感器5完全相同，只是单端固定而不受轴向拉力作 用，其波长漂移完全由温度变化弓I起。温度传感器与应变传感器处于相同的温度场，对温度 变化有相同的反映。因此，温度传感器波长漂移可以补偿应变传感器波长漂移中由温度变 化引起的部分，最终获得由容器3内液体深度变化造成的光纤光栅波长漂移。在实用新型 提出的光纤光栅静力水准仪中，由于连通管2为称重传感器上方，且其重力通过钢绞线传 递由结构物来承担，连通管2的状态改变不会干扰光纤光栅传感器对容器3内液体深度的
权利要求一种工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪，由刚性横梁(1)、连通管(2)、容器(3)、光纤光栅温度补偿传感器(4)、光纤光栅应变传感器(5)、传感器固定框(6)及连接梁(7)组成，其特征在于刚性横梁(1)通过钢绞线悬吊于结构物的底部，连通管(2)在刚性横梁(1)左右各1根，两根连通管(2)通过刚性横梁(1)连接，容器(3)顶板上开有两个圆形孔，两根连通管(2)分别穿过圆形孔延伸至容器(3)内部，连通管(2)管口与容器(3)底壁间留有一定距离；刚性横梁(1)和传感器固定框(6)通过钢绞线连接，光纤光栅温度补偿传感器(4)一端固定于传感器固定框(6)的侧壁上、另一端自由不受约束；传感器固定框(6)下方连接有光纤光栅应变传感器(5)；光纤光栅应变传感器(5)底部通过连接梁(7)与容器(3)顶板连接，且光纤光栅温度补偿传感器(4)、光纤光栅应变传感器(5)及容器(3)三者的重心在同一铅直线上。
2. 根据权利要求1所述的工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪，其特征在于相邻的静 力水准仪通过连通管(2)连接构成连通器。
专利摘要本实用新型属于桥梁结构健康监测技术领域，具体涉及一种工程化高耐久性光纤光栅静力水准仪。由刚性横梁、连通管、容器、光纤光栅温度补偿传感器、光纤光栅应变传感器等组成，两根连通管通过刚性横梁连接，容器顶板上开有圆形孔，连通管穿过圆形孔延伸至容器内部；刚性横梁和传感器固定框通过钢绞线连接，光纤光栅温度补偿传感器一端固定于传感器固定框的侧壁上；传感器固定框下方连接有光纤光栅应变传感器；光纤光栅应变传感器底部通过连接梁与容器顶板连接，光纤光栅温度补偿传感器、光纤光栅应变传感器及容器三者的重心在同一铅直线上。本实用新型结构简单，传感误差易控制；与结构通过钢绞线连接易满足传感器布设对高程的要求，安装方便。
文档编号G01C5/04GK201527272SQ200920210769
公开日2010年7月14日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者孙利民, 孙守旺, 淡丹辉 申请人:同济大学