本實用新型涉及一種光纖光柵傳感器，尤其是涉及一種基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器。

背景技術(shù)：

變電站是電網(wǎng)的重要組成部分，它在電力系統(tǒng)中起變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的作用。變電站內(nèi)的建筑物是保障電網(wǎng)安全的電力基礎(chǔ)設(shè)施，由于變電站大多建設(shè)在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，那里的地質(zhì)條件和氣候條件經(jīng)常會引起變電站的地基沉降。變電站基礎(chǔ)建筑物在施工期間以及后期運營期間的安全問題日益突出。目前，對變電站地基沉降的監(jiān)測方法主要是采用水準(zhǔn)監(jiān)測法。這種方法是通過人工定期巡視檢查安裝在現(xiàn)場沉降監(jiān)測點的沉降樁頭，利用精密水準(zhǔn)儀觀測各個沉降觀測點與基準(zhǔn)點之間的變化來判斷地基沉降量。但是由于這種監(jiān)測方法的工作量極其繁重，而測得的數(shù)據(jù)量相反卻較少，監(jiān)測的耗時較長，且容易受到環(huán)境因素的影響，使得判斷的準(zhǔn)確性不佳。

光纖傳感器是基于光纖獨特的光學(xué)特性和傳感特性來探測工程中各種物理參量。它相對于傳統(tǒng)方法具有更高的靈敏度，不易受電磁干擾，絕緣性好，耐腐蝕，工作壽命長，集物理參量信息的獲取與傳輸一體，以及結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗電少等優(yōu)點。可以用于測量應(yīng)變、溫度、壓力、位移等物理參量。

現(xiàn)有技術(shù)主要的沉降監(jiān)測方法有:簡單目測法,沉降計算法,變形轉(zhuǎn)換法?，F(xiàn)有的沉降測量裝置直接測量固定桿標(biāo)記與沉降建筑之間的相對位移大小，從而獲得地基沉降值的方法。在水下拋石堆載地基處理過程中，固定桿有可能被堆載物撞擊而發(fā)生形變，會直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而且這種監(jiān)測方法工作量極其繁重，而測得的數(shù)據(jù)量相反卻較少，監(jiān)測的耗時較長，且容易受到環(huán)境因素的影響，使得測量的準(zhǔn)確性不佳。

中國專利201610142384.X公開了一種基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器，由一根具有楔形表面的鋼棒和一個等腰懸臂梁構(gòu)成，光纖布拉格光柵分別粘貼在懸臂梁上。傳感器滑動殼固定在變電站的設(shè)備上，斜面鋼棒固定到基準(zhǔn)平面上，作為位移參考點。鋼棒與滑動殼會根據(jù)沉降狀況發(fā)生相對位移，位移量通過鋼棒楔形表面和頂珠的作用轉(zhuǎn)換成懸臂梁的彈性形變，傳遞到懸臂梁光柵來檢測應(yīng)變變化量大小。該專利中的壓應(yīng)力是沿垂直于軸向傳遞到光纖布拉格光柵上的，由于光纖布拉格光柵垂直于軸向應(yīng)變的分辨率率低和應(yīng)變量小，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，其沉降傳感器的測量量程最大為100mm左右，靈敏度為150-160pm/mm左右，沉降位移分辨率為1.2-1.3mm，因此，容易導(dǎo)致光纖布拉格光柵斷裂，在穩(wěn)定性和實用壽命上存在不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器。

本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器，包括從上到下依次連接的第一連接件、光纖布拉格光柵、第二連接件、拉伸彈簧和第三連接件，所述的第一連接件還固定連接基準(zhǔn)平面上的參考點，所述的第三連接件還固定連接變電站的沉降物；

當(dāng)變電站的沉降物發(fā)生沉降時，第三連接件將沉降位移量傳遞給拉伸彈簧，拉伸彈簧將相應(yīng)的沉降位移量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的拉力，并通過第二連接件將拉力轉(zhuǎn)換成對光纖布拉格光柵的軸向拉應(yīng)力，使光纖布拉格光柵的布拉格波長發(fā)生應(yīng)變調(diào)制，實現(xiàn)沉降位移量的測量。沉降物為變電站的建筑設(shè)備或電氣設(shè)備等。

光纖布拉格光柵是根據(jù)摻雜光纖的紫外光敏特性的原理，使用周期性的強紫外光激光照射摻雜的光纖，使光纖纖芯形成折射率沿軸向周期性分布，從而形成一個反射式光纖光柵。只有滿足布拉格條件的光波才能夠被光柵反射，其布拉格條件如公式(1)：

λ_B＝2n_effΛ (1)

其中，λ_B是光纖布拉格光柵的反射波長，n_eff表示光纖纖芯的有效折射率，Λ為光纖布拉格光柵中光柵的折射率調(diào)制周期或者柵距。光纖布拉格光柵反射的中心波長λ_B只取決于n_eff和Λ，當(dāng)二者發(fā)生變化，中心波長λ_B的變化表征為：

Δλ_B/λ_B＝Δn_eff/n_eff+ΔΛ/Λ (2)

當(dāng)FBG所處環(huán)境溫度恒定，只在外力場的作用下，產(chǎn)生應(yīng)變變化量Δε，則也將發(fā)生漂移，漂移量與應(yīng)力變化關(guān)系式(3)為：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε (3)

其中，P_e表示光纖布拉格光柵材料的有效彈光系數(shù)。

實驗測試過程如下，寬帶光源用于產(chǎn)生寬帶出射光，經(jīng)過3dB耦合器后，有部分出射光耦合進入纖布拉格光柵，纖布拉格光柵產(chǎn)生的反射光會再次進入3dB耦合器，同樣會有部分反射光耦合進入光譜儀，通過光譜分析儀對纖布拉格光柵的反射光譜分析和存儲。纖布拉格光柵固定在應(yīng)力測試儀的平臺上，應(yīng)力測試儀可以設(shè)置拉應(yīng)力數(shù)值并對纖布拉格光柵產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。

所述的第一連接件包括第一基片、第一蓋片和第一連接臂，所述的第一基片上設(shè)有豎向的第一溝槽，所述的光纖布拉格光柵的頂部的連接光纖放置在第一溝槽內(nèi)，并由第一蓋片壓緊固定，所述的第一連接臂安裝在第一基片上，并與參考點固定連接。

所述的第一連接臂為直角形臂，其水平端與參考點固定連接，豎直端安裝在第一基片上。

所述的第二連接件包括第二基片、第二蓋片和第二連接架，所述的第二基片上設(shè)有豎向的第二溝槽，所述的光纖布拉格光柵的底部的連接光纖放置在第二溝槽內(nèi)，并由第二蓋片壓緊固定，所述的第二連接架安裝在第二基片上，并與拉伸彈簧連接。

所述的第二連接架為安裝在第二基片底端中心位置的三角架a，所述的拉伸彈簧頂部的掛鉤與三角架a相連接。三角架a優(yōu)選等腰三角形架。

所述的第三連接件為一直角形臂，其水平端固定連接沉降物，豎直端上設(shè)有三角架b，所述的拉伸彈簧底部的掛鉤與三角架b相連接。

所述的拉伸彈簧的彈簧剛度小于0.001kg/mm。

所述的光纖布拉格光柵為波長在1550nm的光纖布拉格光柵。

本實用新型的工作原理為：

當(dāng)發(fā)生沉降時，在下沉的作用力下，高精度拉伸彈簧受到拉伸作用，發(fā)生大小相等的位移變化，從而帶動與其相連的光纖布拉格光柵受到拉伸(壓縮)，使布拉格波長發(fā)生漂移。光纖光柵沉降傳感器測量原理是基于被測量變化引起的光柵周期和有效折射率的變化，從而導(dǎo)致光柵特征波長的變化，通過測量特征波長的漂移量來測量沉降量，不受環(huán)境的影響。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：

(1)基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器，使用光纖布拉格光柵傳感器對變電站內(nèi)的建筑物地基、變電站主設(shè)備的地基進行沉降檢測和監(jiān)測。將變電站基礎(chǔ)沉降位移表征為相對于參考點的下層位移，然后將變電站基礎(chǔ)沉降位移轉(zhuǎn)換成應(yīng)力后施加到光纖布拉格光柵上，從而使其布拉格波長受到應(yīng)變調(diào)制，進而對變電站的基礎(chǔ)沉降位移量進行實時在線測量。所以本實用新型可以極大地提高工作人員的工作效率，實時獲取大量的沉降數(shù)據(jù)，監(jiān)測的時間短，不受惡劣環(huán)境影響，準(zhǔn)確度得到極大提高。

(2)經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，光纖光柵能承受更大的沿軸向的拉應(yīng)力，因而，與一般的通過沿垂直于軸向傳遞到光纖布拉格光柵上傳遞壓應(yīng)力相比，本實用新型具有更好的傳感特性，拉應(yīng)力的應(yīng)力傳遞方式能夠極大地提高光纖布拉格光柵的測量范圍、測量靈敏度，相應(yīng)地提高了光纖布拉格光柵的穩(wěn)定性和實用性。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，本實用新型的光纖光柵布拉格光柵沉降測量量程最大為300mm左右，靈敏度為17～18pm/mm，沉降位移分辨率為0.7～0.8mm。相比于背景技術(shù)中的專利201610142384.X，本實用新型的沉降傳感器的量程提高了3倍，靈敏度和分辨率提高了大約10倍。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的第一連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型的第二連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型的第三連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-第一連接件，2-光纖布拉格光柵，3-第二連接件，4-拉伸彈簧，5-第三連接件，11-第一基片，12-第一蓋片，13-第一連接臂，31-第二基片，32-第二蓋片，33-第二連接架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細(xì)說明。

實施例

一種基于變電站沉降測量的光纖光柵傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括從上到下依次連接的第一連接件1、光纖布拉格光柵2、第二連接件3、拉伸彈簧4和第三連接件5，第一連接件1還固定連接基準(zhǔn)平面上的參考點，第三連接件5還固定連接變電站的沉降物。拉伸彈簧4的彈簧剛度小于0.001kg/mm。光纖布拉格光柵2為波長在1550nm的光纖布拉格光柵2。

如圖2所示，第一連接件1包括第一基片11、第一蓋片12和第一連接臂13，第一基片11上設(shè)有豎向的第一溝槽，光纖布拉格光柵2的頂部的連接光纖放置在第一溝槽內(nèi)，并由第一蓋片12壓緊固定，第一連接臂13安裝在第一基片11上，并與參考點固定連接，第一連接臂13為直角形臂，其水平端與參考點固定連接，豎直端安裝在第一基片11上。

如圖3所示，第二連接件3包括第二基片31、第二蓋片32和第二連接架33，第二基片31上設(shè)有豎向的第二溝槽，光纖布拉格光柵2的底部的連接光纖放置在第二溝槽內(nèi)，并由第二蓋片32壓緊固定，第二連接架33安裝在第二基片31上，并與拉伸彈簧4連接，第二連接架33為安裝在第二基片31底端中心位置的三角架a，拉伸彈簧4頂部的掛鉤與三角架a相連接。三角架a優(yōu)選等腰三角形架。

如圖4所示，第三連接件5為一直角形臂，其水平端固定連接沉降物，豎直端上設(shè)有三角架b，拉伸彈簧4底部的掛鉤與三角架b相連接。

當(dāng)變電站的沉降物發(fā)生沉降時，第三連接件5將沉降位移量傳遞給拉伸彈簧4，拉伸彈簧4將相應(yīng)的沉降位移量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的拉力，并通過第二連接件3將拉力轉(zhuǎn)換成對光纖布拉格光柵2的軸向拉應(yīng)力，使光纖布拉格光柵2的布拉格波長發(fā)生應(yīng)變調(diào)制，實現(xiàn)沉降位移量的測量。沉降物為變電站的建筑設(shè)備或電氣設(shè)備等。

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用實用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實用新型不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的揭示，不脫離本實用新型范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。