[发明专利]基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量装置和方法

权利要求书

1.一种可变量程土压力测量装置，其特征在于，包括悬臂梁、布拉格光纤光栅传感器、刚性传力杆、薄膜、传感器腔体和光纤信号分析处理设备，其中，

所述布拉格光纤光栅传感器安装在悬臂梁表面沿长度方向的中轴线处，并且两者紧密结合；

所述刚性传力杆将悬臂梁的自由端与薄膜连接在一起；

所述传感器腔体的一端敞口，所述薄膜覆盖在所述传感器腔体的敞口端；

所述悬臂梁的固定端固定在传感器腔体的内壁上；

所述光纤信号分析处理设备通过光纤与所述布拉格光纤光栅传感器连接，以用于获得布拉格光纤光栅传感器的应变；

所述光纤信号分析处理设备包括宽带光源、光源耦合器、光信号分析仪和信号采集处理器，所述宽带光源依次连接所述光源耦合器、光信号分析仪和信号采集处理器，所述光源耦合器还连接所述光纤；

通过光纤信号分析处理设备持续测量布拉格光纤光栅传感器的应变值，计算被测对象的局部压力：

其中，ε_B为布拉格光纤光栅传感器的应变值与应变初值的差值，E和E_c分别为所述薄膜和悬臂梁的弹性模量，x为所述布拉格光纤光栅传感器在悬臂梁上与固定端的距离，L为所述悬臂梁的长度，t_c为所述悬臂梁的厚度，I_c为所述悬臂梁的惯性矩，μ为所述薄膜的泊松比，R为所述薄膜的直径，t为薄膜厚度。

2.基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的可变量程土压力测量装置实现，包括如下步骤：

(1)根据被测对象的尺寸和测量要求，选择悬臂梁和薄膜的材料和尺寸，其中，所述悬臂梁由长方体或矩形片状的弹性金属片制成，薄膜由圆片状的弹性金属片制成；

(2)将布拉格光纤光栅传感器安装在悬臂梁表面沿长度方向的中轴线处，并使两者紧密结合，并且，所述布拉格光纤光栅传感器安装在所述悬臂梁的固定端即x＝0处，再通过一根刚性传力杆将悬臂梁的自由端与薄膜连接在一起，将薄膜覆盖在所述传感器腔体敞口的一端，则布拉格光纤光栅传感器、悬臂梁、刚性传力杆和薄膜共同构成联结体，然后通过光纤将布拉格光纤光栅传感器与光纤信号分析处理设备相连接；

(3)将联结体的悬臂梁的固定端固定在传感器腔体上，则联结体与传感器腔体共同构成土压力传感器，将整个土压力传感器放置在被测对象里，记下布拉格光纤光栅传感器应变初值；

(4)通过光纤信号分析处理设备持续测量布拉格光纤光栅传感器的应变值，计算被测对象的局部压力：

其中，ε_B为布拉格光纤光栅传感器的应变值与应变初值的差值，E和E_c分别为所述薄膜和悬臂梁的弹性模量，x为所述布拉格光纤光栅传感器在悬臂梁上与固定端的距离，L为所述悬臂梁的长度，t_c为所述悬臂梁的厚度，I_c为所述悬臂梁的惯性矩，μ为所述薄膜的泊松比，R为所述薄膜的直径，t为薄膜厚度。

3.根据权利要求2所述的基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量方法，其特征在于，所述布拉格光纤光栅传感器安装在所述悬臂梁的固定端即x＝0处，从而使联结体形成局部压力测试部件，局部压力测试部件根据下式计算被测对象的监测部位的局部压力，

4.根据权利要求2或3所述的基于布拉格光纤光栅的可变量程的土体压力测量方法，其特征在于，通过调节悬臂梁和薄膜的材料参数以及结构尺寸，设定测量量程及灵敏度。