[发明专利]一种楔形结构光纤光栅位错计

权利要求书

1.一种楔形结构光纤光栅位错计，包括由滑动头(1)、悬臂梁(2)、传感光纤光栅(3)、补偿光纤光栅(4)、传动杆(5)、限位板(6)、螺栓(7)、楔形块(9)、弹簧(8)、保护外壳(10)与固定片(11)；

保护外壳(10)为矩形盒式，侧壁上设有用于滑动头(1)伸出的狭长活动缝，保护外壳(10)内与活动缝对应的一侧固定楔形块(8)；

滑动头(1)末端为U型板结构，该U型板卡到楔形块(8)上；在U型板上通过螺栓固接有两个悬臂梁(2)；两个悬臂梁(2)的活动端通过传动杆(5)连接在一起；将楔形块(8)斜面深入滑动头(1)凹槽内，使得传动杆(5)与楔形块(9)的斜面相接触；限位板(6)对称固定于滑动头(1)伸出活动缝部分，用来防止活动头水平运动；

保护外壳(10)端面上固接有弹簧(9)，弹簧(9)另一端呈自由状态与滑动头(1)抵接；

在滑动头(1)的U型板上设有补偿光纤光栅(4)，在悬臂梁(2)上设有传感光纤光栅(3)；将滑动头(1)上开圆孔，用于传感光纤光栅(3)和补偿光纤光栅(4)的尾纤通过圆孔穿出，在尾纤套上光纤松套管。

2.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

所述传感光纤光栅(3)为Bragg光栅。

3.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

采用楔形块(9)将沉降位移差转换成悬臂梁(2)自由端的挠度。

4.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

楔形块(9)将待测沉降位移差转换成悬臂梁(2)自由端的挠度，通过传感光纤光栅(3)对悬臂梁(2)临近固定端处弯曲应变进行测量，并采用参考光栅法解决了光纤光栅交叉敏感问题。

5.根据权利要求1所述的一种楔形结构光纤光栅位错计，其特征在于：

工作原理如下：

楔形块倾斜的角度为α，则滑动传导臂相对位移Δx与悬臂梁端部挠度y的关系为：

Δx＝y·tanα (1)

对于悬臂梁有：

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{M_x}{W_z}=\frac{6Fl}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(2\right)$

$y=\frac{{\mathrm{Fl}}^3}{3EI}---\left(3\right)$

σ_max＝E·ε(4)

其中σ_max是悬臂梁上光纤光栅粘贴处中间部位的最大应力，F为悬臂梁端部与楔形块接触处垂直于锰钢梁方向的合力，y为在F作用下悬臂梁端部的挠度，l为锰钢悬臂梁的有效工作长度，b为悬臂梁的截面宽度，h为悬臂梁的厚度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩，ε为悬臂梁表面粘贴光纤光栅处的应变；

由(1)-(4)可以得到：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{3h\mathrm{\Δ}x}{2l^2\tan \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

若不考虑温度导致中心波长的改变量，悬臂梁表面封装的光纤光栅工作原理表达式如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{k_{\mathrm{\ϵ}}}=\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

式中，Δλ_B为相对于起始位置的中心波长改变量，k_ε为光纤光栅应变灵敏度系数

由(5)和(6)可以得出：

$\mathrm{\Δ}x=\frac{2l^{2}tan\mathrm{\α}}{3{\mathrm{hk}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_B---\left(7\right)$

令则有：

Δx＝K·Δλ_B (8)

式中，K为位错计的灵敏度系数；

式(8)即为一种楔形结构光纤光栅位错计的光—位移方程；由此式可看出相对沉降量Δx与相对于初始位置光纤光栅中心波长改变量Δλ_B之间成线性关系，当温度恒定，通过监测中心波长改变量Δλ_B从而获得相对沉降量Δx的结果，如果温度改变，公式(8)中的Δλ_B需要消除不受力温度补偿光纤光栅波段的变化。