一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪论文和设计-裴华富

全文摘要

本实用新型提供了一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，属于建设工程技术领域。该测斜仪包括永磁体、磁致伸缩材料、螺栓、光纤光栅、光纤、光纤光栅解调仪、横板、导槽和测斜管。两组横板通过螺栓连接，永磁体固定在一组横板之间；用于连接两组横板的螺栓中部固定连接磁致伸缩材料；光纤光栅粘贴在磁致伸缩材料表面；光纤一端连接在光纤光栅上，另一端连接光纤光栅解调仪；光纤光栅解调仪用于测量磁致伸缩材料的表面应变值；磁致伸缩材料产生初始应变，横板随之转动，磁致伸缩材料发生相同倾角的转动，通过磁致伸缩材料的表面应变值来确定测斜仪的转角。本实用新型测斜仪具有测量精度高、数据传输能力强、数据直观、操作简便等优点。

主设计要求

1.一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，其特征在于，所述测斜仪包括永磁体(1)、磁致伸缩材料(2)、螺栓(3)、光纤光栅(4)、光纤(5)、光纤光栅解调仪(6)、横板(7)、滑轮(8)、导槽(9)和测斜管(10)；两横板(7)为一组，通过螺栓(3)控制二者之间的距离；第一组横板(7)与第二组横板(7)通过螺栓(3)连接为一体，第二组横板(7)的两块横板(7)均分别位于第一组横板(7)的两块横板的外部；所述永磁体(1)固定在第一组横板(7)之间；用于连接两组横板(7)的螺栓(3)中部固定连接磁致伸缩材料(2)以产生恒定磁场；所述磁致伸缩材料(2)的表面粘贴光纤光栅(4)，用来测量磁致伸缩材料(2)的轴向应变；所述光纤(5)一端连接在光纤光栅(4)上，另一端连接光纤光栅解调仪(6)；所述光纤光栅解调仪(6)用于测量磁致伸缩材料(2)的表面应变值；一对滑轮(8)通过螺栓(3)及连杆配合固定在第一组横板(7)的下方，位于永磁体(1)的外侧；另一对滑轮(8)通过螺栓(3)及连杆固定在第二组横板(7)的下方；所述测斜管(10)为环形结构，其内管壁上相对加工有两个导槽(9)，两组横板(7)沿轴向插入测斜管(10)中，两组滑轮(8)分别嵌入测斜管(10)的两导槽(9)中，实现在测斜管(10)中滑动；当磁致伸缩材料(2)产生初始应变，磁致伸缩材料(2)随横板(7)发生相同倾角的转动，通过光纤光栅解调仪(6)测量磁致伸缩材料(2)的表面应变值来确定测斜仪的转角。

设计方案

1.一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，其特征在于，所述测斜仪包括永磁体(1)、磁致伸缩材料(2)、螺栓(3)、光纤光栅(4)、光纤(5)、光纤光栅解调仪(6)、横板(7)、滑轮(8)、导槽(9)和测斜管(10)；

两横板(7)为一组，通过螺栓(3)控制二者之间的距离；第一组横板(7)与第二组横板(7)通过螺栓(3)连接为一体，第二组横板(7)的两块横板(7)均分别位于第一组横板(7)的两块横板的外部；所述永磁体(1)固定在第一组横板(7)之间；用于连接两组横板(7)的螺栓(3)中部固定连接磁致伸缩材料(2)以产生恒定磁场；所述磁致伸缩材料(2)的表面粘贴光纤光栅(4)，用来测量磁致伸缩材料(2)的轴向应变；所述光纤(5)一端连接在光纤光栅(4)上，另一端连接光纤光栅解调仪(6)；所述光纤光栅解调仪(6)用于测量磁致伸缩材料(2)的表面应变值；一对滑轮(8)通过螺栓(3)及连杆配合固定在第一组横板(7)的下方，位于永磁体(1)的外侧；另一对滑轮(8)通过螺栓(3)及连杆固定在第二组横板(7)的下方；所述测斜管(10)为环形结构，其内管壁上相对加工有两个导槽(9)，两组横板(7)沿轴向插入测斜管(10)中，两组滑轮(8)分别嵌入测斜管(10)的两导槽(9)中，实现在测斜管(10)中滑动；

当磁致伸缩材料(2)产生初始应变，磁致伸缩材料(2)随横板(7)发生相同倾角的转动，通过光纤光栅解调仪(6)测量磁致伸缩材料(2)的表面应变值来确定测斜仪的转角。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，其特征在于，所述横板(7)为铝合金板。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，其特征在于，所述光纤光栅(4)通过环氧树脂粘贴在磁致伸缩材料(2)表面。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于建设工程技术领域，涉及应用于工程监测的测斜仪器，特别涉及一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪。

背景技术

测斜仪是一种测量原位倾角与方位角的原位测量仪器，在岩土工程领域有广泛应用。传统的测斜仪通常为电阻应变式、加速度计式和电子计式等，可以在一定的误差范围内测量岩土体内部倾角和位移，已经在工程实践中得到广泛应用。但是传统测斜仪也存在诸多不足之处；一方面，传统测斜仪测量精度低，量程小，使用寿命短，操作繁琐；另一方面，传统测斜仪使用电缆进行信号传输，电缆带宽有限，严重限制了数据传输能力。作为一种新型测量技术，光纤光栅能够利用光信号波长对应变和温度的敏感性，实现对应变和温度的精确测量；同时，光纤光栅兼具防电磁干扰、耐用性好和传输距离远等特点。磁致伸缩材料能在磁场作用下产生伸缩，已经广泛应用于传感器领域。通过合理布置将测斜仪在岩土体内部的倾角及位移转化为可测的磁致伸缩材料的应变，精确度更高，解决了传统测斜仪在精度和量程上的不足。因此，使用光纤光栅技术和磁致伸缩材料对传统测斜仪加以改进，对于提升测量精度、量程、简化操作步骤、强化数据传输能力等方面具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于使用光纤光栅技术和磁致伸缩材料对传统测斜仪加以改进，提供一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，克服传统测斜仪测量精度低、操作繁琐、数据传输能力弱等缺点。

本实用新型的技术方案：

一种基于光纤光栅和磁致伸缩材料的测斜仪，包括永磁体1、磁致伸缩材料2、螺栓3、光纤光栅4、光纤5、光纤光栅解调仪6、横板7、滑轮8、导槽9和测斜管10；

两横板7为一组，通过螺栓3控制二者之间的距离；第一组横板7与第二组横板7通过螺栓3连接为一体，第二组横板7的两块横板7均分别位于第一组横板7的两块横板的外部；所述永磁体1固定在第一组横板7之间；用于连接两组横板7的螺栓3中部固定连接磁致伸缩材料2以产生恒定磁场；所述磁致伸缩材料2的表面粘贴光纤光栅4，用来测量磁致伸缩材料2的轴向应变；所述光纤5一端连接在光纤光栅4上，另一端连接光纤光栅解调仪6；所述光纤光栅解调仪6用于测量磁致伸缩材料2的表面应变值；一对滑轮8通过螺栓3及连杆配合固定在第一组横板7的下方，位于永磁体1的外侧；另一对滑轮8通过螺栓3及连杆固定在第二组横板7的下方；所述测斜管10为环形结构，其内管壁上相对加工有两个导槽9，两组横板7沿轴向插入测斜管10中，两组滑轮8分别嵌入测斜管10的两导槽9中，实现在测斜管10中滑动；

当磁致伸缩材料2产生初始应变，磁致伸缩材料2随横板7发生相同倾角的转动，通过光纤光栅解调仪6测量磁致伸缩材料2的表面应变值来确定测斜仪的转角。

进一步地，横板7为铝合金板。

进一步地，光纤光栅4通过环氧树脂粘贴在磁致伸缩材料2表面。

工作原理：

永磁体在磁致伸缩材料处产生磁场，测斜仪在土中发生变形时，磁致伸缩材料会转动产生一定的倾角，初始磁场沿磁致伸缩材料轴向和径向产生正交分解，磁致伸缩材料的轴向应变随之发生变化，通过磁致伸缩材料的磁致伸缩系数与磁场强度关系曲线推算出磁致伸缩材料轴向的磁场强度，根据磁致伸缩材料轴向磁场与初始磁场的三角函数关系推算出磁致伸缩材料转角，最后确定测斜仪的转角。

本实用新型的有益效果：充分利用光纤光栅技术和磁致伸缩材料的优越性，使得本实用新型测斜仪具有测量精度高、数据传输能力强等优点；同时，可以将多个光纤光栅串联，形成监测网络，实现对岩土体内部位移实时监测；本实用新型利用光纤光栅解调仪测量磁致伸缩材料的表面应变值计算出各个监测点的位移值，操作简便，数据直观。

附图说明

图1为本实用新型提供的测斜仪的内部结构俯视图。

图2为本实用新型提供的测斜仪的内部结构主视图。

图3为本实用新型提供的光纤光栅与磁致伸缩材料示意图。

图4为本实用新型提供的测斜管示意图。

图5为本实用新型提供的位移测量示意图。

图中：1永磁体；2磁致伸缩材料；3螺栓；4光纤光栅；5光纤；6光纤光栅解调仪；7横板；8滑轮；9导槽；10测斜管。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

两横板7为一组，通过螺栓3控制二者之间的距离；第一组横板7与第二组横板7通过螺栓3连接为一体，第二组横板7的两块横板7均分别位于第一组横板7的两块横板的外部；所述永磁体1固定在第一组横板7之间；用于连接两组横板7的螺栓3中部固定连接磁致伸缩材料2以产生恒定磁场；所述磁致伸缩材料2的表面用环氧树脂粘贴光纤光栅4，用来测量磁致伸缩材料2的轴向应变；所述光纤5一端连接在光纤光栅4上，另一端连接光纤光栅解调仪6；所述光纤光栅解调仪6用于测量磁致伸缩材料2的表面应变值；一对滑轮8通过螺栓3及连杆配合固定在第一组横板7的下方，位于永磁体1的外侧；另一对滑轮8通过螺栓3及连杆固定在第二组横板7的下方；所述测斜管10为环形结构，其内管壁上相对加工有两个导槽9，两组横板7沿轴向插入测斜管10中，两组滑轮8分别嵌入测斜管10的两导槽9中，实现在测斜管10中滑动；所述的横板7为铝合金板。

所述的磁致伸缩材料2是指材料由于外加磁场的改变，其尺寸发生变化，去掉磁场后又恢复原长，且其磁致伸缩系数为：

式中，L_{H<\/sub>是磁致伸缩材料经过磁场强度变化后的长度；L_{0<\/sub>是磁致伸缩材料的原长度。}}

磁致伸缩材料2由于磁场作用会产生初始应变δ_{0<\/sub>，测斜仪在土中变形时，横板7之间产生转动，磁致伸缩材料2也随之发生相同倾角的转动，这就使初始的磁场沿着磁致伸缩材料2的轴向和径向产生正交分解，磁致伸缩材料2的应变只与轴向磁场大小有关，于是表面的应变会发生变化并且表面应变由光纤光栅解调仪6测得，通过磁致伸缩材料2的磁致伸缩系数与磁场强度关系曲线算出磁致伸缩材料轴向的磁场强度，再根据磁致伸缩材料2轴向磁场与初始磁场的三角函数关系反算出磁致伸缩材料2的转角；因此只需要测量磁致伸缩材料2的应变即可确定测斜仪的转角和位移。}

本实用新型测斜仪在现场安装时，采用钻孔设备进行钻孔，尽量保持钻孔垂直，钻至设计要求的标高，先将测斜管10放入钻孔中，再将测斜仪的其他部分按照导槽9的方向放入测斜管10(如图4)中，并且使测斜仪的转动方向与岩土体移动方向一致。

安装完成后，当岩土体发生变形时，土体会挤压测斜管10，使测斜管10和土体共同变形，认为岩土体内部的变形和测斜管10的变形是一致的。由此引起布置在磁致伸缩材料2上的光纤5发生微小变形，引起光纤光栅4反射波长的变化。再利用光纤光栅解调仪6测量磁致伸缩材料2的表面应变值，根据磁致伸缩材料2的表面应变值和磁致伸缩材料转角的关系式，计算出各个监测点的位移值，即岩土体内部的水平变形量(如图5)。

设计图

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