专利名称：光纤光栅风压传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于桥梁结构、高耸结构、大跨度空间结构和冷却塔等土木工程结构物表面风压风向现场实测的光纤光栅风压传感器，主要应用于土木工程结构物抵抗强风等恶劣环境能力试验、结构物表面风压风向监测技术领域和风工程领域。
背景技术：
风压传感器是获取土木工程结构物表面风压数据的重要设备，现有的风压传感器主要分两种类型。一种是采用毕托管原理的多通路压差系统来测量风速与风压。然而，毕托管不能测脉动风压，只能测静风压，并且其在潮湿气候环境下容易导致管内积水从而使得测量值偏小，长期置于粉尘浓度较高的环境中监测容易引起毕托管堵塞。并且这种风压传感器不适合安装在各类型工程结构物表面，很难实现对结构物所处实际风环境进行长期实时监测。此外，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，影响测量数据的准确性。另一种是采用硅阻原理的压阻式传感器。虽然其线性度好，灵敏度相对较高，可实现微、低压测量。但是，从原理上讲，压阻式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，且漂移形式多样，对提高器件的稳定性很不利，极大限制了硅压阻压力传感器的广泛应用。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种光纤光栅风压传感器，适应不同野外环境和恶劣气象条件下的测试要求，选用薄球壳的主体受力系统结合光纤光栅作为主要传感元件，结构物表面的风压直接作用于风压传感器的受力系统薄球壳上，在风压作用下，球壳发生变形，使弹簧伸长，且弹簧伸缩量与作用在球壳表面的风压成正比，即风压越大，弹簧伸缩量也越大，通过光纤光栅传感器监测到这一变化即可反算出风压的大小及风向。不仅满足土木工程结构物表面对风压的测量要求，还能够测量出风向，准确地测得结构物所处的实际风场下表面风压特性。为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种光纤光栅风压传感器，该风压传感器包括受力系统、传感系统和限位系统，所述受力系统包括薄球壳和连接块；所述传感系统包括传力杆、传感元件、封装盒和定位杆，其中传感元件是由光纤光栅和弹簧共同组成；所述限位系统包括总线路管、滑动支座、导槽、限位板、螺栓孔和底板。所述受力系统中的四个连接块对称正交固定于薄球壳的底部，四个连接块与限位系统中的滑动支座铰接；所述传感系统中的四根传力杆外端分别与四个滑动支座连接，四根传力杆呈十字交叉型，十字交叉点固结于定位杆上，定位杆插入限位系统的总线路管中，传力杆与传感元件串联，传感元件外套封装盒，传感元件中的光纤光栅和弹簧并联；限位系统中的滑动支座和限位板位于导槽中，滑动支座在限位板间沿着弹簧伸长或缩短的方向自由滑动，薄球壳表面直接承受风压产生变形，使弹簧伸长或缩短，通过与弹簧并联的光纤光栅测出弹簧的伸缩量，反算出风压和风向。所述连接块与滑动支座的铰接是通过销轴连接，不限制平面内的转角，可以自由转动。并且这种连接方式使得安装和拆卸简单，可更换。传感元件外套封装盒，起到防水防尘，保护光纤光栅的作用。所述限位系统中滑动支座和限位板位于导槽中，滑动支座可在限位板间沿着弹簧伸长或缩短的方向滑动；在四个导槽间各留有一个用于固定光纤光栅风压传感器的螺栓孔；所述限位系统中的底板可根据待测结构物表面的情况确定外形，常用的形式是圆形和方形。本实用新型测量风压的工作机制描述如下:所述受力系统中的薄球壳表面直接承受风压并产生变形，使弹簧伸长或缩短，通过与弹簧并联的光纤光栅测出弹簧的伸缩量，反算出风压和风向。所述传感系统中弹簧的伸缩量与风压有很好的线性关系，只需选取少量的样本进行标定即可。所述薄球壳采用耐腐蚀性与抗疲劳性强的材料，保证本传感器具有较长的使用寿命O所述传感系统中的定位杆和限位系统中总导线管中设有线路管道，使各测量线路走线集中、规范，便于测量。所述限位系统中设有限位板，可以根据现场实测风场环境，选用不同的限位区间，既能满足微风测试要求，也能满足强风测试要求。同时，与一般传感器相比，在操作不当等原因引起的超限荷载下，本传感器还能保护光纤光栅不会超量程。所述限位系统中的四个螺栓孔不仅可以固定在土木工程结构物的混凝土材料和钢材表面以满足长期监测要求，还能固定在支架上满足短期监测要求本实用新型具有以下有益效果:(I)本光纤光栅风压传感器不仅可以测量正风压，还能测量负风压，并能测量风向；(2)本光纤光栅风压传感器采用光纤光栅作为主要的传感元件，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；(3)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，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，所测数据结果将为结构在极端气象条件下的安全监测提供有效的依据，并为掌握结构风荷载作用机理和结构动力响应及破坏机理提供直接的资料，为修正现有试验方法、理论模型和制定建筑荷载规范提供依据，具有广泛的工程应用前景。
图1为本实用新型的纵剖面示意图；图2为本实用新型立体结构示意图；图3为本实用新型中受力系统的立体示意图；[0024]图4为本实用新型中传感系统的立体示意图；图5为本实用新型中传感元件的结构示意图；图6为本实用新型中限位系统的立体示意图；图7为本实用新型中滑动支座的结构示意图；图中标号说明I—受力系统；11—薄球壳；12—连接块；2—传感系统；21—传感元件；211—弹簧；212—光纤光栅；22—传力杆；23—定位杆；24—封装盒；3—限位系统；31—总线路管； 32—滑动支座；321—销轴；322—底座；323—滑轮；33—限位板；34—导槽；35—螺栓孔；36—底板。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明:如图1及图2所示，本实用新型提供了一种光纤光栅风压传感器，包括:受力系统I ;传感系统2 ;限位系统3。如图3所示的受力系统I中的四个连接块12对称正交固定于薄球壳11的底部，，四个连接块12与限位系统3中的滑动支座32铰接。所述薄球壳采用耐腐蚀性与抗疲劳性强的材料，保证本传感器具有较长的使用寿命。如图4所示的传感系统2和限位系统3之间的连接是通过将四根传力杆22外端与四个滑动支座32连接实现。四根传力杆22呈十字交叉型，十字交叉点固结到定位杆23上，定位杆23插入限位系统3的总线路管31中。传感元件21与传力杆22串联。如图5所示的传感元件21中的光纤光栅212和弹簧211并联，传感元件21外套封装盒24，具有防水防尘，保护光纤光栅212的功能。如图6所示的限位系统3中的滑动支座32和限位板33位于导槽34中，滑动支座32可在限位板33间沿着弹簧211伸长或缩短的方向滑动。限位系统3在四个导槽34间各留有一个螺栓孔35，可通过螺栓将风压传感器固定在待测结构物表面。限位系统3中的底板36可根据待测结构物表面的情况确定外形，常用的形式是圆形和方形，如图7所示的滑动支座32是由销轴321、底座322和滑轮323组成，底座322通过销轴321与连接块12铰接，不限制平面内的转角，可以自由转动，使得受力系统I安装和拆卸简单，便于更换。滑轮323位于底座322底部，使滑动支座32可以沿导槽34滑动。[0049]本实用新型以薄球壳11为主体受力结构，直接承受风压作用。在风压作用下，薄球壳11变形，使弹簧212伸长或缩短，即可根据本传感器的力学模型，求解风压与弹簧212伸缩量的函数关系，把对风压的监测转化为对弹簧212伸缩量的监测。光纤光栅213与弹簧212并联，光纤光栅213栅区间隔的改变量即弹簧212的伸缩量，因此，本传感器可通过光纤光栅213所监测的数据反算出风压。和风向。在本实用新型的光纤光栅风压传感器中，所述传感系统2中弹簧212的伸缩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。所述传感系统2中的定位杆23和限位系统3中总导线管31中设有线路管道，使各测量线路走线集中、规范，便于测量。所述限位系统3中设有限位板33，可以根据现场实测风场环境，选用不同的限位区间，既能满足微风测试要求，也能满足强风测试要求。同时，与一般传感器相比，在操作不当等原因引起的超限荷载下，本传感器还能保护光纤光栅不会超过量程。所述限位系统3中的四个螺栓孔35不仅可以固定在土木工程结构物的混凝土材料和钢材表面以满足长期监测要求，还能固定在支架上满足短期监测要求。上述的对本传感器的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对本传感器做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他传感器中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种光纤光栅风压传感器，其特征在于:该风压传感器包括受力系统、传感系统和限位系统，所述受力系统中的四个连接块对称正交固定于薄球壳的底部，四个连接块与限位系统中的滑动支座铰接；所述传感系统中的四根传力杆外端分别与四个滑动支座连接，四根传力杆呈十字交叉型，十字交叉点固结于定位杆上，定位杆插入限位系统的总线路管中，传力杆与传感元件串联，传感元件外套封装盒，传感元件中的光纤光栅和弹簧并联；限位系统中的滑动支座和限位板位于导槽中，滑动支座在限位板间沿着弹簧伸长或缩短的方向自由滑动，薄球壳表面直接承受风压产生变形，使弹簧伸长或缩短，通过与弹簧并联的光纤光栅测出弹簧的伸缩量，反算出风压和风向。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅风压传感器，其特征在于:所述限位系统在四个导槽间各留有一个用于固定光纤光栅风压传感器的螺栓孔。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅风压传感器，其特征在于:所述连接块与滑动支座的铰接是通过销轴连接。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅风压传感器，其特征在于:所述限位系统中的底板根据待测结构物表面的情况确定外形，常用的形式为圆形或为方形。
专利摘要本实用新型公开一种光纤光栅风压传感器，包括受力系统、传感系统和限位系统，受力系统中的四个连接块对称正交固定于薄球壳的底部，四个连接块与滑动支座铰接；传感系统中的四根传力杆外端分别与四个滑动支座连接，四根传力杆呈十字交叉型，十字交叉点固结于定位杆上，定位杆插入总线路管中，传力杆与传感元件串联，传感元件中的光纤光栅和弹簧并联；滑动支座和限位板位于导槽中，滑动支座在限位板间沿着弹簧伸长或缩短的方向自由滑动，薄球壳表面直接承受风压产生变形，使弹簧伸长或缩短，通过与弹簧并联的光纤光栅测出弹簧的伸缩量，反算出风压和风向。本实用新型的优点是可安装/拆卸以及便携功能，能够在不同的环境下工作，满足现场实测过程中不同的土木工程结构物表面风压风向监测，不仅可测正风压，还能测负风压，以及360度风攻角的测量，实现多点分布式测量，实现远距离遥控监测。
文档编号G01L11/02GK203069312SQ201320012780
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者淡丹辉, 肖容, 白午龙, 程纬, 赵一鸣 申请人:同济大学, 上海同翼工程科技有限公司