基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器

1.本实用新型属于土压力检测传感器技术领域，具体涉及一种基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器。


背景技术：

2.目前，市场上现有的土压力计从传感原理上分，主要分为振弦式、气动式、电阻应变式及光纤光栅式。其中，振弦式土压力计、气动式土压力计及电阻应变式土压力计均以电作为传感信号，在一些易燃易爆、强电磁干扰的恶劣环境以及需远距离检测的场合，很难派上用场。光纤光栅土压计是一种可以形成传感网络系统的新型光纤位移传感器，具有光纤传感器的许多优点，其中最重要的就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点需要，能方便使用波分复用技术。
3.同时在现有技术中对于微小土压的测量不灵敏，不能对微小土压力作出迅速灵敏的反应。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器，旨在解决现有的光纤光栅传感器灵敏度不够，不能够敏感响应土压力承压数值的变化的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器，包括：
6.壳体，所述壳体上侧设有第一膜片，所述壳体内设有连接于所述第一膜片的下端面的第一齿条；
7.齿轮凸轮组件，所述齿轮凸轮组件转动设于所述壳体内，所述齿轮凸轮组件包括与所述第一齿条啮合传动的第一齿轮和与所述第一齿轮同轴连接的凸轮；
8.转杆齿轮组件，所述转杆齿轮组件转动设于所述壳体内，所述转杆齿轮组件包括与所述凸轮的侧表面滑动配合的转杆和固定连接于所述转杆的第二齿轮；
9.第二齿条，所述第二齿条滑动设于壳体内，所述第二齿条与所述第二齿轮啮合传动；
10.弹性梁，固定设于所述壳体内，所述第二齿条与所述弹性梁侧面接触，所述弹性梁由所述第二齿条驱动产生形变，所述弹性梁上贴设有用于感应所述弹性梁的形变的光纤光栅。
11.在一种可能的实现方式中，所述第一膜片上方间隔设有第二膜片，所述第二膜片固定设于所述壳体顶端，所述第一膜片和所述第二膜片之间填充有液体。
12.在一种可能的实现方式中，所述转杆上转动设有与所述凸轮的侧表面配合的圆
滚。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一齿轮和所述第二齿轮为负变位齿轮。
14.在一种可能的实现方式中，所述壳体内还固定设有第一支撑杆和第二支撑杆，所述齿轮凸轮组件通过第一轴承转动设于所述第一支撑杆上，所述转杆齿轮组件通过第二轴承转动设于所述第二支撑杆上。
15.一些实施例中，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆两端分别固定支撑于所述壳体的两侧内壁。
16.一些实施例中，所述第一支撑杆上设有两个分别抵接于所述齿轮凸轮组件的两侧面的第一限位件，所述第二支撑杆上设有两个分别抵接于所述转杆齿轮组件两侧面的第二限位件。
17.在一种可能的实现方式中，所述第二齿条上固定设有撞针。
18.一些实施例中，所述第二齿条或所述撞针的平移方向两侧设有两个固定于所述壳体内的限位杆。
19.在一种可能的实现方式中，所述弹性梁上还设有温度补偿传感器。
20.本实现方式中，壳体为本装置的基体，第一膜片受力变形，带动第一齿条向下移动，第一齿条带动第一齿轮转动，第一齿轮带动凸轮旋转，凸轮旋转带动设于凸轮侧表面的转杆转动，转杆的转动带动第二齿轮旋转，第二齿轮驱动啮合的第二齿条平移，第二齿条端部顶推弹性梁，以使弹性梁发生形变，并由贴设于弹性梁上的光纤光栅感应其形变。
21.该基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器，与现有技术相比，通过齿轮、齿条和凸轮的机械组合，将微小的土压通过机械装置放大，保证了本发明对于微小土压力的精确灵敏测量；本方案具有测量范围广、灵敏度高、稳定性高、应用面广的特点，能够实现在不同条件下对于土压力的精确测量与监控，为当地的施工环境安全做出保障。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例提供的增敏型土压力传感器的内部结构示意图；
23.图2为本实用新型另一实施例提供的增敏型土压力传感器的内部结构示意图；
24.图3为沿图2中a-a线的剖视结构图。
25.附图标记说明：
26.1、壳体；11、第一膜片；12、第二膜片；13、第一齿条；14、限位杆；2、齿轮凸轮组件；21、第一齿轮；22、凸轮；3、转杆齿轮组件；31、转杆；32、第二齿轮；33、圆滚；4、第二齿条；5、撞针；6、弹性梁；7、光纤光栅；8、第一支撑杆；81、第一限位件；9、第二支撑杆；91、第二限位件。
具体实施方式
27.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
28.请一并参阅图1及图2，现对本实用新型提供的基于齿轮齿条和光纤光栅的增敏型土压力传感器进行说明。所述增敏型土压力传感器，包括壳体1、齿轮凸轮组件2、转杆齿轮
组件3、第二齿条4和弹性梁6；壳体1上侧设有第一膜片11，壳体1内设有垂直连接于第一膜片11的下端面的第一齿条13；齿轮凸轮组件2转动设于壳体1内，齿轮凸轮组件2包括与第一齿条13啮合传动的第一齿轮21和与第一齿轮21同轴连接的凸轮22；转杆齿轮组件3转动设于壳体1内，转杆齿轮组件3包括与凸轮22的上侧表面滑动配合的转杆31和固定连接于转杆31的第二齿轮32；第二齿条4水平滑动设于壳体1内，第二齿条4与第二齿轮32啮合传动；弹性梁6竖直固定设于壳体1内，第二齿条4与弹性梁6侧面垂直接触，弹性梁6由第二齿条4驱动产生形变，弹性梁6上贴设有用于感应弹性梁6的形变的光纤光栅7。
29.本实现方式中，在实际使用过程中，测量土压力时，将光纤光栅7的引出线穿出壳体1与性解调系统连接。土壤对第一膜片11产生向下的压力，第一膜片11受压形变，使得第一齿条13向下运动，与第一齿条13啮合的第一齿轮21在壳体1内受力转动，带动与第一齿轮21固定连接的凸轮22转动，凸轮22转动会带动与之上侧接触的转杆31向上转动，使第二齿轮32转动，从而第二齿轮32在水平方向向上向右运动，与第二齿轮32啮合的第二齿条4被带动并向右运动，从而使弹性梁6弯曲带动光纤光栅7产生形变，通过调制解调仪来解调，分析出土壤压力的大小。
30.其中，在膜片未受力的状态下，第二齿条4与弹性梁6接触但没有相互作用力，当膜片受力，经内部机械传动，带动第二齿条4向右运动，使竖直的弹性梁6发生弯曲，从而带动光纤光栅7发生形变。
31.需要说明的是，第二齿轮32为扇形齿轮，即整个圆柱齿轮的一部分，只需能够来回摆动，带动第二齿轮32来回移动即可。
32.进一步地，外壳为一体成型结构，表面无缝隙，可采用金属材质(如不锈钢等)或其他材质通过铸造等方式制成，物理性能和化学性能稳定，在一般土壤环境中基本不发生形变而且具有一定抗腐蚀性。
33.需要说明的是，在实际测量土压力的过程中，各地土压大小不一，之前的一些土压力监测装置很难对于微小土压力进行测定，而本装置通过结合齿轮齿条得到放大行程的目的，能够实现对于微小土压力的灵敏监测，对于掌握当地的准确土压力有较好的实践功能。
34.结合光纤光栅7本身具有的优良特性，可以看出本品具有测量方便、稳定可靠、数据准确、灵敏度高、结构紧凑、结构简单抗电磁干扰、耐久性强、可靠性高、易于组成网络等特点，能够实现对土压力大小的实时监测，可广泛应用于各种复杂的环境中。
35.本实施例提供的增敏型土压力传感器，与现有技术相比，通过齿轮、齿条和凸轮22的机械组合，将微小的土压通过机械装置放大，保证了本发明对于微小土压力的精确灵敏测量；本方案具有测量范围广、灵敏度高、稳定性高、应用面广的特点，能够实现在不同条件下对于土压力的精确测量与监控，为当地的施工环境安全做出保障。
36.在一些实施例中，参见图2，第一膜片11上方间隔设有第二膜片12，第二膜片12固定设于壳体1顶端，第一膜片11和第二膜片12之间填充有液体。
37.本实施例中，在壳体1上部设置两层弹性膜片，中间放置液体，将土壤向下的压力巧妙转化为第二膜片12的形变，传力更均匀。
38.需要说明的是，在实际测量土压力的过程中，土质密度分布不均，进而使得顶板产生程度大小不一的局部形变，在本技术中液体层的设计可以减小受力不均匀对于土压测量的影响。
39.具体地，流体可采用液压油、水等，针对高寒环境还可使用防冻液。第一膜片11与第二膜片12采用高性能弹性材质，且具有一定的耐腐蚀性，在受到力的作用时，能发生相应形变，具有良好的抗塑性变形变形能力和抗压性能即可。
40.在一些可能的实现方式中，第一膜片11和第二膜片12均与壳体1密封连接且可拆卸。
41.本实施例中，可拆卸的方式，便于针对不同环境采用不同液体。
42.在组装过程中，在将装置下半部分组装完毕后，首先放置第一膜片11，再放入液体，最后安装第二膜片12，完成密封封装。
43.具体地，在连接弹性膜片与壳体1时，可以通过螺栓先将膜片与壳体1连接起来，再用树脂胶等胶粘剂将两者之间的缝隙进行封堵，其中，胶粘剂可采用环氧树脂、再生橡胶等。
44.在使用时，将膜片通过螺栓与壳体1连接，当需要更换液体以及对壳体1下部传动装置进行维修时仅需拆除膜片，不会对装置造成结构性损坏，使得装置具有很好的经济性和方便性。
45.具体的，第一膜片11与第一齿条13通过螺栓连接。
46.在现有技术中，对于微小土压力的监测是缺失的，通过利用齿轮齿条这个机械结构，实现了土压力监测范围的扩大，将土壤的微小压力转化为了凸轮22的推程运动，起到了放大位移的效果。
47.在一些可能的实现方式中，上述转杆31可以采用如图2所示结构。参见图1及图2，转杆31上转动设有与凸轮22的侧表面配合的圆滚33。
48.本实施例中，设置转动的圆滚33在凸轮22侧标滚动，可进一步减小摩擦力，使内部力的传动更加准确有效率。
49.具体地，凸轮22可以是沟槽凸轮，圆滚33于沟槽凸轮的沟槽内受力滚动，以进一步提升其传动效率和传动稳定性。
50.在一些可能的实现方式中，第一齿轮21和第二齿轮32为负变位齿轮。
51.本实施例中，齿轮选择负变位齿轮，能够提高齿根的抗弯强度、有助于提高齿轮的耐冲击的能力。
52.在一些可能的实现方式中，上述齿轮凸轮组件2和转杆齿轮组件3的转动连接方式可以采用如图3所示结构。参见图2及图3，壳体1内还固定设有第一支撑杆8和第二支撑杆9，齿轮凸轮组件2通过第一轴承转动设于第一支撑杆8上，凸轮22与第一齿轮21同轴设置，转杆齿轮组件3通过第二轴承转动设于第二支撑杆9上。
53.本实施例中，通过第一支撑杆8和第二支撑杆9分别将齿轮凸轮组件2和转杆齿轮组件3转动支撑于壳体1内。
54.具体地，当第一弹性膜片受到向下的压力使第一齿条13向下运动时，会带动与第一齿条13啮合的第一齿轮21做逆时针转动，又因为凸轮22与第一齿轮21无相对运动，在设计过程中将齿轮齿条的活动范围与凸轮22的推程向契合，使得第一齿轮21的逆时针转动转化为圆滚33的推程，滚子受力上升，使得第二齿轮32向右运动，带动与之啮合的水平的第二齿条4向右运动。
55.具体地，第一轴承和第二轴承可以是滑动轴承也可以是滚动轴承，能够实现相应
齿轮的转动即可，摩擦力越小越好。
56.在一些可能的实现方式中，第一支撑杆8和第二支撑杆9两端分别固定支撑于壳体1的两侧内壁。
57.本实施例中，通过第一支撑杆8和第二支撑杆9分别固定于壳体1两侧内壁，即可稳定支撑相应组件，又可加强壳体1内部的支撑，结构更为稳定。
58.可选地，第一支撑杆8和第二支撑杆9直接焊接在壳体1上或者通过螺栓连接，其中，直接焊接更加稳定，螺栓连接便于拆卸。本技术实施例中，支撑杆的固定采用焊接的方式，第一齿轮21与凸轮22的连接也采用焊接的方式。
59.在一些可能的实现方式中，为限制齿轮凸轮组件2和转杆齿轮组件3的位移，第一支撑杆8上设有两个分别抵接于齿轮凸轮组件2的两侧面的第一限位件81，第二支撑杆9上设有两个分别抵接于转杆齿轮组件3两侧面的第二限位件91。
60.本实施例中，通过第一限位件81和第二限位件91分别抵接齿轮凸轮组件2和转杆齿轮组件3，以实现对上述两组件的轴向固定，使传动更加稳定
61.具体地，限位件可以直接焊接在对应的支撑杆上，也可以是轴用卡簧，卡在相应的支撑杆上，通过限制滚动轴承内圈的方式限制相应组件位移。
62.在一些可能的实现方式中，参见图2及图3，第二齿条4上固定设有撞针5，第二齿条4或撞针5的平移方向两侧设有两个固定于壳体1内的限位杆14。
63.本实施例中，设置撞针5，通过撞针5推动弹性梁6变形，可使测量结果更为准确。通过两个限位杆14限制第二齿条4和撞针5的水平位移，以防止位移过度而损坏弹性梁6或者光纤光栅7。
64.具体地，撞针5两侧设有限位槽，限位杆14位于限位槽内，通过限位杆14与限位槽侧面配合实现对撞针5的位移限制。
65.在一些可能的实现方式中，为进一步提高测量准去度，弹性梁6上还设有温度补偿传感器。
66.本实施例中，温度补偿传感器的设置，避免了测试温度对测试结果的不良影响，保证了测试结果的准确性。
67.进一步地，温度补偿传感器与光纤光栅7串联。
68.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。