拱形光纤光栅风压传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及了一种采用拱形光纤光栅风压传感器，该风压传感器包括受力系统、传感系统、滑动支座和基座，受力系统一端固结在底座上，另一端与滑动支座连接，在拱壳受到荷载作用时可以自由伸缩，并将变形传递给传感系统的光纤光栅。滑动支座的滑块沿着滑轨自由伸缩滑动。传感系统的光纤光栅受到了受力系统的作用而伸长，并在荷载减小后可以回复。本传感器的可安装/拆卸以及便携功能，使得其能够在不同的环境下很好的工作，并且还能满足现场实测过程中不同的土木工程结构物表现风压监测。同时，通过混合级联组网，本传感器可实现多点分布式测量，并可实现远距离遥控监测。当使用前需要进行标定时，与之配合的标定装置能模拟均布风荷载，并且可以实现多级加载；不需要借助标准风压传感器标定待标定的风压传感器，并具备较高的精度，满足工程需求；不需要较多的辅助设备，装置简单，操作方便，能耗小，节约成本。

Arch fiber Bragg grating wind pressure sensor

The utility model relates to a wind pressure sensor using an arch-shaped fiber grating. The wind pressure sensor comprises a force system, a sensing system, a sliding bearing and a base. One end of the force system is fixed on the base, and the other end is connected with a sliding bearing. When the arch shell is subjected to load, the wind pressure sensor can expand freely and transmit deformation to the base. Sensing system fiber Bragg grating. The slide block of the sliding bearing is freely telescopic and slid along the slide rail. The fiber grating of the sensing system is elongated by the force system and can be restored after the load is reduced. The sensor can be installed/disassembled and portable, so that it can work well in different environments, and it can also meet the requirements of wind pressure monitoring for different civil engineering structures in the process of field measurement. At the same time, through the hybrid cascade network, the sensor can realize multi-point distributed measurement and remote control monitoring. When calibration is needed before use, the calibration device can simulate uniform wind load and realize multi-stage loading; it does not need to calibrate the wind pressure sensor to be calibrated with the help of the standard wind pressure sensor, and has a higher precision to meet the engineering requirements; it does not need more auxiliary equipment, the device is simple and the operation is easy. Convenient, low energy consumption and cost saving.

【技术实现步骤摘要】
拱形光纤光栅风压传感器
本技术涉及一种拱形光纤光栅风压传感器，属适用于大型桥梁、高耸结构等土木工程结构物表面风压现场实测。该传感器主要应用于土木工程中结构物抵抗强烈风荷载等试验、结构物表面风压监测
和风工程领域。
技术介绍
风荷载可能引起土木结构物的不稳定，使之产生过大的挠度或变形，甚至会导致结构的破坏，影响结构物的安全性和适用性。因此，及时、准确地了解结构的风荷载，对结构运营期的适用性和安全性的评估和监控具有重要意义。对风荷载的监控已经成为结构健康监测的一项重要内容。现场实测是认识结构物周围风场特性的重要手段。但是，由于试验成本相对较高，工作周期较长等原因的影响，同时实测数据的精度还与传感器质量、数据采集和传递、信息的存储和后处理等诸多因素有关，国内外全尺寸大型的空间结构物风载实测研究并不多。通常，现场实测的手段包括远场风速风向测量和结构物表面风压测量两种形式。远场风速风向监测的测量不受结构影响的风场信息，这在实际操作中是很困难的，因为传感器总是要依附于结构物，因而测到的风速风向总是会在不同程度上受到结构物的影响。其实，几乎所有的结构风稳定性分析中，风场的风速风向信息都首先会通过一定的数学物理模型转换成结构物表面的风压，然后再进行下一步的分析，因此，直接对建筑物表面的风压的测量，不但会省去一些环节，而且有望克服风速风向测量的弊端，从而有可能成为一种很高效的手段。常用的风压传感器一种是采用毕托管原理的多通路压差系统。然而，传统的风压传感器不适合安装于各类型工程结构物表面，这样就很难实现对结构物所处实际风环境进行长期有效、实时地监测。最重要的是，压力导管组成的测压管路系统易发生管腔共振，使输出信号发生畸变。另一种常见的传感器是采用硅阻原理的压阻式传感器来测量风压。虽然其线性好，灵敏度可以实现相对较高，实现微、低压测量。但是，从原理上讲，硅压阻压力传感器是以硅材料为基础的物性型传感器，硅材料受环境温度影响较大，会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，且形式多样，对提高器件的稳定性很不利，同时硅压阻压力传感器使用时必须进行温度补偿，否则很难达到实用要求；建立完整的温度补偿技术，会增加成本，限制了硅压阻压力传感器的推广和应用。利用风压传感器进行工作前，首先应该对风压传感器进行标定，确定其输入与输出量的关系。在风压测量中，标定装置和标定方法的研究至关重要，标定精度也直接影响风压传感器的测量精度。现有的风压传感器标定装置一般分为两类。一种是活塞式标定装饰，由油缸、活塞和砝码组成，通过砝码的质量和活塞的截面积之间的比值来确定压力的大小，从而标定风压传感器。这种活塞式标定装置操作复杂，为了提高测量精度，消除加载在活塞上的摩擦阻力而采用的辅助设备较多，成本较高，难以广泛应用。另一种标定装置是使用压力泵产生压力，直接作用在风压传感器上。通过标准风压传感器来显示产生压力的大小，再对待标定的风压传感器施加相同的压力，从而标定风压传感器。该标定装置需要较多的辅助设备，能耗较大，操作复杂，同时施加压力的大小需借助标准风压传感器来显示，压力测量的精度由标准风压传感器的精度决定，在不借助标准风压传感器的情况下，难以达到标定要求。以上提到的两种标定装置还有一个共同的缺点，无法对风压传感器施加均布的荷载。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于，针对现有监测风压技术的传感器灵敏度低，不适合在开放环境使用的缺陷，提供一种拱形光纤光栅风压传感器，以满足土木工程结构物表面对风压的测量要求，以便准确地测得结构物所处的实际风场下表面压力特性。本技术技术问题通过下述方案解决：一种拱形光纤光栅风压传感器，光纤光栅的风向传感器，包括受力系统、传感系统、滑动支座和基座，其中：所述的受力系统以拱壳为受力元件，拱壳的一端固结在基座上，另一端与滑动支座相连，使拱壳受荷载作用时，可以自由伸缩，并将变形传递给传感系统；所述的传感系统包括光纤光栅、固定连接块和滑动连接块；所述的滑动支座包括滑轨和滑块，滑块连接所述的光纤光栅，滑轨固定于基座上，传感系统的光纤光栅受到受力系统的作用而伸长，并在荷载减小后回复，带动滑块沿着滑轨自由伸缩滑动，构成拱形光纤光栅风压传感器。本技术的拱形光纤光栅的风向传感器将受力系统、传感系统固定为一个整体，方便安装，方便携带。选用拱壳作为受力系统的主体，结合光纤光栅传感器作为感知元件。风压作用下，拱壳发生变形，光纤光栅伸长，且应变量与作用在拱壳表面的风压成正比，即风压越大，应变量也越大。监测光纤光栅的变化即可反算出风压的大小。选用光纤光栅作为感知元件，可使得本风压传感器与其他风压传感器相比具有高分辨率、高精度、高信噪比和高稳定性，同时能够适应强电磁干扰和潮湿环境，适应不同野外环境和恶劣气象条件下的测试要求。在本技术的光纤光栅风压传感器中，所述受力系统的拱壳表面直接承受风压荷载，将风压传递到传感系统中的光纤光栅上，通过测出光纤光栅的应变量，即可通过拱壳的力学特性，反算出风压的大小。与一般传感器相比，传力简单、明确。由于所述传感系统中光纤光栅的应变量与风压有很好的线性关系，使得本风压传感器只需选取少量的样本进行标定即可。在上述方案基础上，所述固定连接块与滑动支座滑轨连接固定，滑动连接块与滑动支座的滑块连接固定，滑动连接块随着滑块沿着滑动支座滑轨移动。所述传感系统中固定连接块与滑动支座滑轨固定连接，滑动连接块与滑动支座的滑块连接固定，当拱壳受风压形变时，滑动连接块随着滑块沿着滑动支座滑轨移动。由于传感系统中的连接块与滑动支座是刚性连接，制作简单、传力明确。在上述方案基础上，所述的拱壳二端设有连接脚；一端有两个脚固定在基座上，另一端一个脚固定在滑动支座滑块上，滑动支座位于基座的正中央。本技术的拱形光纤光栅风压传感器能够在不同的环境下很好的工作，并且能满足现场实测过程中不同的土木工程结构物表面风压监测，以及不同测试部位对风压监测的要求。以拱壳为主体受力结构，直接承受风压作用，并且能把对风压的监测通过传感器的设计转化为对光纤光栅应变量的监测。采用光纤光栅作为主要传感元件，使得本传感器与普通机械、电子类传感器相比，不仅测量值空间分辨率高、输出线性范围宽、频带宽、信噪比高、传输容量大、传输损耗小、化学性能稳定、电绝缘性能好、体积小、重量轻、几何形状可塑等优点，还能在强电磁干扰、雨水、高温等恶劣环境下正常工作。本传感器各系统的可安装/拆卸以及便携功能，使其能够更好地适应各种测试环境。本光纤光栅风压传感器不仅可实现多点分布式测量、还能实现远距离遥控监测，故将有望促进实测手段的不断进步，进而大规模开展结构风荷载实测，获得大量的宝贵的实测数据，这些数据结果将成为掌握结构风荷载作用机理和结构动力响应及破坏机理最直接的资料，为修正现有试验方法、理论模型和制定建筑荷载规范提供最权威的依据，因此具有广泛的工程应用前景。拱形光纤光栅风压传感器在使用前需要进行标定，该传感器标定使用一标定装置，该标定装置包括标定盘和加载设备，将所述的拱形光纤光栅的风压传感器置于标定盘中固定，加载设备对其加载，进行标定。在上述方案基础上，所述的标定盘，包括上盘、下盘和立柱，上盘和下盘通过立柱连接，上盘和下盘平行且处于水平状态，待测的风压传感器的底部与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拱形光纤光栅风压传感器，光纤光栅的风向传感器，包括受力系统、传感系统、滑动支座和基座，其特征在于：所述的受力系统以拱壳为受力元件，拱壳的一端固结在基座上，另一端与滑动支座相连，使拱壳受荷载作用时，可以自由伸缩，并将变形传递给传感系统；所述的传感系统包括光纤光栅、固定连接块和滑动连接块；所述的滑动支座包括滑轨和滑块，滑块连接所述的光纤光栅，滑轨固定于基座上，传感系统的光纤光栅受到受力系统的作用而伸长，并在荷载减小后回复，带动滑块沿着滑轨自由伸缩滑动，构成拱形光纤光栅风压传感器。

【技术特征摘要】
1.一种拱形光纤光栅风压传感器，光纤光栅的风向传感器，包括受力系统、传感系统、滑动支座和基座，其特征在于：所述的受力系统以拱壳为受力元件，拱壳的一端固结在基座上，另一端与滑动支座相连，使拱壳受荷载作用时，可以自由伸缩，并将变形传递给传感系统；所述的传感系统包括光纤光栅、固定连接块和滑动连接块；所述的滑动支座包括滑轨和滑块，滑块连接所述的光纤光栅，滑轨固定于基座上，传感系统的光纤光栅受到受力系统的作用而伸长，并在荷载减小后回复，带动滑块沿着滑轨自由伸缩滑动，构成拱形光纤光栅风压传感器。2.根据权利要求1所述的拱形光纤光栅风压传感器，其特征在于：所述固定连接块与滑动支座滑轨连接固定，滑动连接块与滑动支座的滑块连接固定，滑动连接块随着滑块沿着滑动支座滑轨移动。3.根据权利要求1或2所述的拱形光纤光栅风压传感器，其特征在于：所述的拱形光纤光栅风压传感器的标定使用一标定装置，该标定装置包括标定盘和加载设备，将所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鹏飞，淡丹辉，王向杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：新型
国别省市：上海,31