本發(fā)明涉及一種水位水壓力測(cè)量方法，尤其是一種采用光纖光柵水壓力傳感器的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

光纖光柵簡(jiǎn)稱fbg，fbg傳感器是20世紀(jì)90年代傳感領(lǐng)域較好的發(fā)明創(chuàng)造，它是以fbg為核心器件而產(chǎn)生的傳感器產(chǎn)品，而fbg又是一種光纖無(wú)源器件，具有可靠性好、測(cè)量精度高、能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、抗電磁干擾以及抗雷擊等特點(diǎn)。因此，目前在石油行業(yè)、礦業(yè)及建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，主要利用光纖光柵傳感器替代老式的電信號(hào)傳感器。在水壓力的測(cè)量領(lǐng)域，光纖光柵傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。

公開號(hào)為cn201903426u，名稱為一種“光柵水壓力傳感器”，光柵直接附著于應(yīng)邊框上，在測(cè)量時(shí)，一定程度上提高了傳感器的穩(wěn)定性，但這種水壓力傳感器的測(cè)量方法存在兩點(diǎn)不足，其一，光柵直接附著于應(yīng)邊框上，但在測(cè)量時(shí)并不能排除空氣的空腔影響，從而導(dǎo)致初始測(cè)量值可靠性降低；其二，在實(shí)際操作中，膜片的強(qiáng)度和測(cè)量對(duì)象強(qiáng)度需要保證在合理范圍內(nèi)，這樣才能得到可靠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

公開號(hào)為cn202757726u，名稱為“光柵水壓力傳感器”，采用了膜片配合應(yīng)邊框的方式，在測(cè)量時(shí)，雖在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但在計(jì)算某一數(shù)值時(shí)，需要考慮測(cè)量介質(zhì)強(qiáng)度，同時(shí)要用控制變量的方法來(lái)精確計(jì)算，所以這種方法會(huì)使測(cè)量的準(zhǔn)確性降低。

公開號(hào)為cn203595575u公開了一種“微型動(dòng)態(tài)滲透水壓力傳感器”，主要是將拉好的光纖光柵通過高頻加熱的方法將光柵直接固定在相對(duì)活動(dòng)的結(jié)構(gòu)件兩端，通過膜片的受力變化改變兩相對(duì)活動(dòng)件間的拉緊情況。由于是變形直接作用在光柵上，懸空的光柵非常脆弱，輕微的剪力均可造成光柵斷裂，從而造成傳感器的損壞，影響了測(cè)量的可靠性。

采用現(xiàn)有水壓力傳感器的測(cè)量方法，來(lái)測(cè)量不同水位的水壓力和孔隙水壓力存在一定缺點(diǎn)，因此，尋求一種安全高效的測(cè)量方法對(duì)水壓力的測(cè)量具有重要的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測(cè)量方法。

具體測(cè)量方法的技術(shù)方案如下。

一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測(cè)量方法，所述測(cè)量方法是通過一光纖光柵水壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體測(cè)量不同水位的方法是按以下步驟進(jìn)行的：

ⅰ、用光纖光柵水壓力傳感器測(cè)量時(shí)，將缸蓋擰開，水通過透水座內(nèi)的透水石進(jìn)入到位移活塞及其透水座的空腔內(nèi)；

ⅱ、水壓力作用于位移活塞，位移活塞觸碰光柵彈片內(nèi)的彈片使其發(fā)生撓度變化，帶動(dòng)附著于彈片上的光柵發(fā)生波長(zhǎng)變化；

ⅲ、通過光柵及鎧裝光纜將光信號(hào)傳輸于解調(diào)儀，經(jīng)過解調(diào)儀將信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得水位及孔隙水壓力的變化規(guī)律；

ⅳ、根據(jù)計(jì)算公式，壓力p與水位高度h成線性關(guān)系，通過測(cè)量得到的水壓力可以求出水位高度h，其中為被測(cè)量水體的密度；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

進(jìn)一步的附加技術(shù)特征如下。

所述一光纖光柵水壓力傳感器是由所述透水缸體與所述光柵倉(cāng)體垂直固定設(shè)置構(gòu)成。

所述透水缸體一端連接固定有光柵倉(cāng)體構(gòu)成活塞腔室，所述活塞腔室內(nèi)置有位移活塞及其懸臂傳感桿；所述懸臂傳感桿的根部套設(shè)有復(fù)位彈簧、尖狀前端頭穿過光柵倉(cāng)壁觸碰有光柵倉(cāng)體內(nèi)設(shè)置的彈片及其彈片光柵；另一端缸體外殼內(nèi)設(shè)有透水座，并嵌設(shè)有缸蓋及其透水石；

所述光柵倉(cāng)體是豎直設(shè)置，其內(nèi)底端面中心位置固定有彈片及其彈片光柵，并在彈片的上端頭觸碰有懸臂傳感桿的尖端；在彈片光柵的側(cè)面附著有光柵，光柵頂端通過導(dǎo)線連接有鎧裝接頭；其內(nèi)頂端通過上塞由環(huán)氧樹脂封口固定，并在上塞中央由環(huán)氧樹脂通過卡環(huán)和鎧裝接頭連接固定有鎧裝光纜及其橡膠套。

所述復(fù)位彈簧的彈力是隨孔隙水壓力變化而變化。

所述懸臂傳感桿的剛度與所述彈片的剛度一致。

所述彈片的剛度與所述光柵彈片的剛度一致。

所述透水缸體與所述光柵倉(cāng)體是密封腔室。

上述所提供的一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測(cè)量方法的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：本發(fā)明通過傳感器與測(cè)量介質(zhì)直接接觸，排除了空氣的空腔影響，解決了現(xiàn)有技術(shù)中初始測(cè)量值可靠性低的問題；本發(fā)明光纖光柵水壓力傳感器中使用的彈片是等強(qiáng)度彈片，所以在計(jì)算某一數(shù)值時(shí)，只需控制懸臂梁的強(qiáng)度一致，不需考慮懸臂梁的強(qiáng)度，這樣會(huì)極大的提升測(cè)量的效率；移動(dòng)活塞和復(fù)位彈簧實(shí)現(xiàn)了不間斷地重復(fù)測(cè)量且測(cè)量誤差也降低了很多。因此，本發(fā)明能非常有效的提高水壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的透水缸體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖3是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的光柵倉(cāng)體結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖4是本發(fā)明的光纖光柵水壓力傳感器的彈片受力圖。

圖中：1：透水缸體；2：光柵倉(cāng)體；3：缸蓋；4：活塞腔室；5：位移活塞；6：懸臂傳感桿；7：光柵倉(cāng)壁；8：彈片光柵；9：復(fù)位彈簧；10：缸體外殼；11：透水座；12：透水石；13：上塞；14：導(dǎo)線；15：鎧裝光纜；16：環(huán)氧樹脂；17：卡環(huán)；18：鎧裝接頭；19：橡膠套；20：彈片；21：光柵。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案做出進(jìn)一步的說明。

實(shí)施本發(fā)明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力光纖光柵傳感器的測(cè)量方法，該測(cè)量方法是通過一圓形結(jié)構(gòu)的或者是方形結(jié)構(gòu)的光纖光柵水壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該傳感器包括透水缸體1及其光柵倉(cāng)體2，嵌入該透水缸體1前端的透水座11，嵌入該透水座11內(nèi)部的透水石12，連接在光柵倉(cāng)前端及缸體內(nèi)壁上的位移活塞5，插入位移活塞5的復(fù)位彈簧9，位移活塞5與光柵倉(cāng)體2之間連接著等強(qiáng)度的彈片20，嵌入該光柵倉(cāng)體2中的光柵21，插入該光柵倉(cāng)體2的上塞13，插入該上塞13內(nèi)的鎧裝光纜15，該光柵21通過光纖與鎧裝光纜15相連接構(gòu)成。

本水位測(cè)量及孔隙水壓力測(cè)量傳感器的測(cè)量方法的測(cè)量力學(xué)原理如下：

（1）由附圖4受力分析知，彈片20橫截面的正應(yīng)力：其中，ε為彈片發(fā)生的應(yīng)變；e為所用等強(qiáng)度彈片的彈性模量。

（2）彈片20橫截面的彎矩為：，其中，f為對(duì)懸臂梁施加的力；l為力的作用點(diǎn)到彈片固定點(diǎn)的距離，由彈片的形狀可知，其抗彎截面距為：式中：w為抗彎截面距；h為彈片的厚度；b為彈片的寬度。

（3）故彈片20所受的正應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系式為：，彈片20的位移被光柵的波長(zhǎng)變化記錄下來(lái)，通過應(yīng)力應(yīng)變公式求得作用于彈片20的力的大小，這個(gè)力就是水壓力的大小。

本光纖光柵傳感器測(cè)量不同水位的方法是按以下步驟進(jìn)行的：

（1）在測(cè)量水池、湖泊的水位時(shí)，將光纖光柵水壓力傳感器放入水中，水通過透水座11內(nèi)的透水石12進(jìn)入到位移活塞5和透水座11的空腔內(nèi)。

（2）水壓力會(huì)作用于位移活塞5，位移活塞5通過懸臂傳感桿6擠壓光柵倉(cāng)體2內(nèi)的等強(qiáng)度彈片20，使其發(fā)生撓度變化，帶動(dòng)連接在等強(qiáng)度彈片20的光柵21發(fā)生波長(zhǎng)變化。

（3）再通過光柵21和鎧裝光纜15將光信號(hào)傳輸出來(lái)，經(jīng)過解調(diào)儀將信號(hào)解調(diào)出來(lái)，從而得到水壓力的變化規(guī)律。

（4）根據(jù)計(jì)算公式。壓力p與水位高度h成線性關(guān)系，通過測(cè)得的水壓力可以間接得到水位高度h。

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案做出進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1

實(shí)施本發(fā)明上述所提供的一種水位及孔隙水壓力測(cè)量的光纖光柵傳感器的技術(shù)方案，該光纖光柵傳感器的圓形缸體外殼10和光柵倉(cāng)壁7是采用316不銹鋼材料，并進(jìn)行封焊處理，這樣可以防止測(cè)量時(shí)有滲水現(xiàn)象發(fā)生。

本實(shí)施方案中，圓形透水缸體1與缸蓋3采用螺紋連接，缸蓋3采用316不銹鋼材料，透水石12是一種用砂質(zhì)顆粒均勻膠結(jié)的多孔板，具有完全透水功能，透水石12是嵌入于透水座11中，透水座11與透水缸體外殼10是采用o型圈密封固定；位移活塞5是采用硅鋁合金材料，復(fù)位彈簧9是采用70#碳素彈簧鋼絲，復(fù)位彈簧7焊接到位移活塞5的觸針端；將等強(qiáng)度彈片20焊接到光柵倉(cāng)體的的內(nèi)底端面中心位置，彈片20采用不銹鋼材料；光柵21通過焊接固定在光柵倉(cāng)體的底端面，等強(qiáng)度彈片20與光柵21通過螺母緊固；導(dǎo)線14的一端用膠粘在光柵21上，另一端穿過上塞13，在鎧裝光纜15的一端卡上卡環(huán)13上，然后在另一端套上鎧裝接頭18，拉緊后用液壓鉗將鎧裝接頭18和鎧裝光纜15壓接在一起，鎧裝光纜15外壁用橡膠套19固定保護(hù)；上塞13采用防水橡膠塞，鎧裝接頭18與上塞13用螺紋緊固；在上塞13和光柵倉(cāng)體2之間的空腔內(nèi)放入o型圈，壓到底端，并用環(huán)氧樹脂將空腔填滿，具體實(shí)施步驟按下列步驟進(jìn)行。

步驟一：光纖光柵水壓力傳感器的組裝；

（1）將復(fù)位彈簧9套接在位移活塞5上，壓入透水缸體1；

（2）將透水石12直接壓入透水座11，并將透水座11與缸體外殼10固定；

（3）將等強(qiáng)度彈片20和光柵21固定在光柵倉(cāng)2的底端；

（4）將鎧裝光纜15一端用卡環(huán)17固定，在鎧裝光纜15的另一端套上鎧裝接頭18，將光纖連接到光柵21上，光纖尾端從上塞的小孔穿出來(lái)；

（5）用液壓鉗將鎧裝接頭18與鎧裝光纜15壓接在一起，再套上橡膠套19進(jìn)行保護(hù)；

（6）將甩出的光纖穿入鎧裝光纜15，通過螺紋將壓好的鎧裝接頭18固定在上塞13上；

（7）上塞13與光柵倉(cāng)體1之間形成了一個(gè)環(huán)形空腔，用環(huán)氧樹脂16將其填滿；

（8）將圓形缸體蓋3通過螺紋連接到缸體外殼10前端。

步驟二：用光纖光柵水壓力傳感器測(cè)量水壓力；

（1）用光纖光柵水壓力傳感器測(cè)量時(shí)，將圓形缸體蓋3擰開，水通過透水座11內(nèi)部的透水石12進(jìn)入到位移活塞5和透水座11的空腔內(nèi)；

（2）水壓力會(huì)作用于位移活塞5，位移活塞5擠壓彈片光柵8內(nèi)的等強(qiáng)度彈片20，使其發(fā)生撓度變化，帶動(dòng)連接在等強(qiáng)度彈片20的光柵21發(fā)生波長(zhǎng)變化；

（3）再通過光纖和鎧裝光纜15將光信號(hào)傳輸出來(lái)，經(jīng)過解調(diào)儀將信號(hào)解調(diào)出來(lái)，從而得到水壓力的變化規(guī)律。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。