專利名稱：一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器。
背景技術(shù)：
相似材料模擬實驗是巖石力學傳統(tǒng)研究方法之一，也仍是目前被許多工程研究所采用的有效方法。二十世紀40年代全蘇礦山研究院Γ.Η.庫茲涅佐夫創(chuàng)立平面相似材料模型實驗技術(shù)，并應用于煤礦開采的巖層破斷活動規(guī)律研究中。60年代該方法引入我國高校和科學研究單位，成為礦山開采、巖土工程問題的主要研究手段，在煤礦沖擊礦壓、地下開采、厚煤層放頂煤開采、井巷(隧)工程及礦山安全技術(shù)等許多方面得到應用。但相似材料模擬實驗發(fā)展至今，模型內(nèi)的應力應變無法測試，實驗設(shè)備與實驗技術(shù)相對滯后的問題普遍存在。目前所用的為通過電式應變片粘貼所形成的各種傳感器。但由于應變片易受外界干擾，因此，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器失效的情況，嚴重影響實驗測試精度。(1)精度低；(2)易受外界干擾而失效，特別是水的影響；光纖光柵是20世紀90年代以來國際上新興的一種有著廣泛應用前景的、性能優(yōu)良的反射濾波無源敏感元件，通過Bragg光柵反射波長的移動來感應外界微小應變變化而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在線測量。其基本原理為當光纖中的光波通過光柵時，滿足光柵波長條件的光被反射回來而成為反射光，其余的光成為透射光，外界參量的變化將引起反射光波長的漂移，而通過對波長漂移量的檢測即可得到外界參量的變化量。溫度和應變是最能直接改變反射波長的外界參量。光纖光柵結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中01為纖芯，02為包裹在纖芯外部的包層，A為光柵周期；圖2為光通過光柵時的能量分配圖，其中2-1為入射光譜，2-2為反射光譜，2-3為透射(傳導)光譜，橫坐標表示波長，縱坐標表示能量，Xb為反射光的中心波長。光纖光柵具有極高的測試精度，且不受電磁輻射等外界干擾，除此以外還具有易于布設(shè)、準分布式測量等多種優(yōu)點，鑒于此，該項技術(shù)具有在航空航天、復合材料、混凝土結(jié)構(gòu)工程、電力工程及醫(yī)學等多個領(lǐng)域得到廣泛應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器，包括圓柱形金屬盒、圓柱形橡膠塊及光纖光柵；圓柱形橡膠塊的側(cè)面沿環(huán)向粘貼光纖光柵，用于測試橡膠的環(huán)向應變， 圓柱形橡膠塊下端面固定在所述圓柱形金屬盒的底部，上端面與金屬盒上端面相連；所述圓柱形金屬盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之間可以上下相對運動，當垂直應力作用在金屬盒上端面時，垂直應力全部作用在橡膠塊上。
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礦山壓力相似模擬實驗是巖石力學最為常用的研究手段之一，但長久以來測試手段的落后是影響其發(fā)展的重要因素，特別是相似模型內(nèi)部應力的測試一直都是難以解決的難題。因此，本發(fā)明將為相似模擬實驗提供新的測試手段，且光纖光柵具有極高的精度，可以提供精確數(shù)據(jù)。


圖1光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為光通過光柵時的能量分配圖；圖3本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明測試過程電路原理示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。1、傳感器結(jié)構(gòu)本發(fā)明傳感器具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括組合型圓柱形金屬盒10、圓柱形橡膠塊 20及光纖光柵30。圓柱形橡膠塊20的側(cè)面沿環(huán)向粘貼傳感用光纖光柵30，用于測試橡膠的環(huán)向應變，圓柱形橡膠塊20下端面固定在(例如可以通過強力膠粘合)在金屬盒10的底部，上端面與金屬盒上端面相連。組合型圓柱形金屬盒10包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之間可以上下相對運動，可以起保護光纖光柵30的作用，當垂直應力作用在金屬盒10上端面時，金屬盒側(cè)面不起支撐作用，而使垂直應力全部作用在橡膠塊20上。同時，金屬盒還避免了側(cè)向應力對測試過程的影響。2、傳感器工作原理本發(fā)明的傳感器被埋至相似模型中，垂直應力作用于金屬盒10上端面，橡膠塊20 受壓后產(chǎn)生壓縮變形，環(huán)向應變致使光纖光柵產(chǎn)生拉應變，反射光波長發(fā)生漂移，通過對反射波長的測試、換算，求得垂直應力。3、測試過程光纖光柵30通過外部引線與解調(diào)儀40連接，解調(diào)儀40通過網(wǎng)絡(luò)連線41與外接計算機42相連。解調(diào)儀40發(fā)出光信號，至光纖光柵30后，滿足反射條件的光被反射回來， 反射光返回解調(diào)儀40，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換21生成電信號、數(shù)據(jù)采集22生數(shù)字信號32，數(shù)字信號 32經(jīng)過波長計算23、數(shù)據(jù)分析M，通過此過程可獲得反射波長的變化信息，再通過數(shù)據(jù)處理求可得到垂直應力。具體的測試過程如圖4所示。應當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1. 一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器，其特征在于，包括圓柱形金屬盒、圓柱形橡膠塊及光纖光柵；圓柱形橡膠塊的側(cè)面沿環(huán)向粘貼光纖光柵，用于測試橡膠的環(huán)向應變，圓柱形橡膠塊下端面固定在所述圓柱形金屬盒的底部，上端面與金屬盒上端面相連；所述圓柱形金屬盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之間可以上下相對運動，當垂直應力作用在金屬盒上端面時，垂直應力全部作用在橡膠塊上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相似模擬實驗用垂直應力光纖光柵壓力傳感器，包括圓柱形金屬盒、圓柱形橡膠塊及光纖光柵；圓柱形橡膠塊的側(cè)面沿環(huán)向粘貼光纖光柵，用于測試橡膠的環(huán)向應變，圓柱形橡膠塊下端面固定在所述圓柱形金屬盒的底部，上端面與金屬盒上端面相連；所述圓柱形金屬盒包括上部和下部，上部和下部套接在一起，上部和下部之間可以上下相對運動，當垂直應力作用在金屬盒上端面時，垂直應力全部作用在橡膠塊上。本發(fā)明將為相似模擬實驗提供新的測試手段，且光纖光柵具有極高的精度，可以提供精確數(shù)據(jù)。
文檔編號G01L1/24GK102175364SQ20111004703
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者柴敬, 許力, 魏世明 申請人:河南理工大學