与外空心圆筒10的顶端保持一定距离；
12.所述的流向尾舵3、流向轴8、流向标9与外空心圆筒10可通过焊接的方式连接，流向尾舵3、流向轴8和流向标9位于同水平方向；
13.所述的金属底座4的底面半径大于外空心圆筒10的底面半径，外空心圆筒10和内圆柱体7底面平齐，外空心圆筒10的高度高于内圆柱体7；
14.所述的台阶式镜面2可以采用真空金属溅射或者打磨抛光，台阶式镜面2的倾斜角度可调；
15.所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随着水流流向发生转动，带动外空心圆筒10随之发生转动，进一步引起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
16.所述的金属底座4、外空心圆筒10、轴承11使整个监测装置密封，保护了光纤法珀干涉仪；
17.所述的轴承11位于外空心圆筒10底面，通过对金属底座4开凿设置轴承11来支撑和传动外空心圆筒10；
18.所述的流向尾舵3、流向轴8和流向标9构成了流体指向标，旋转角度为360
°
；
19.所述的内圆柱体7的圆柱半径、台阶式镜面2的倾斜角度、光纤1端面到内圆柱体7 的距离和流向轴8的长度可根据所需灵敏度进行调整。
20.设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
21.所述的光纤1和光纤保护铠甲5穿过金属底座4和内圆柱体7，与台阶式镜面2形成法珀腔，光纤1位于台阶式镜面2圆周外侧下方；
22.所述的光纤1与台阶式镜面2的倾斜角一致，这样使得光纤1端头在外空心圆筒10转动过程中始终与台阶式镜面2保持垂直；
23.所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随着流体流向发生转动，带动台阶式镜面2随之发生转动，进一步引起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变。
24.本发明工作原理：
25.将本发明放入被测桥墩周围水流中，水流流动使流体指向标发生相应转动，引起台阶式镜面2和光纤端面构成的法珀腔长发生改变，通过光谱仪监测腔长的变化量，从而判断水流流动的方向。本发明的核心是法珀光纤传感器的工作原理，法珀腔由台阶式镜面2和光纤端面形成，入射光在光纤1中传播，第一次与光纤端面发生参考光反射，第二次与台阶式镜面 2发生传感反射，反射光产生干涉信号i的强度表达式为：
[0026][0027]
式中，i1和i2分别为两反射面输入反射光的光强；n为中间介质(空气)折射率；δ为法珀干涉腔腔长；λ为波长，为两束反射光的相位差。
[0028]
光纤1的端头与内圆柱体7轴心间距为r，台阶式镜面2倾斜角为β，光纤1的初始位置与台阶式镜面2初始间距(初始腔长)为δ0。当流向测试仪转动角度θ时，法珀腔腔长δδ和流向测试仪转角θ之间的关系可以表示为：
[0029][0030]
基于上述原理，可以通过法珀腔腔长δδ的变化判断流向测试仪的转动角度θ。
[0031]
本发明的有益效果：
[0032]
(1)本发明通过监测法珀光纤传感器腔长的变化量，实现对桥梁桥墩所处周围流水流向的实时监测；
[0033]
(2)本发明可以通过改变内圆柱体的圆柱半径、台阶式镜面的倾斜角度、光纤端面到内圆柱体的距离和流向轴的长度来满足实际工程所需灵敏度；
[0034]
(3)本发明的流向测试仪旋转角度为360
°
，可实现360
°
不定向水流流向的监测功能；
[0035]
(4)本发明结构简单、价格低廉、适用性强，具有广阔的应用前景和推广市场。
附图说明
[0036]
图1为本发明用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器的两种结构示意图；
[0037]
图2为两种用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器结构的a-a剖面图；
[0038]
图3为两种用于监测桥墩周围流水流向光纤传感器结构的b-b剖面图；
[0039]
图4为本发明应用于桥梁桥墩所处流水流速监测的放置示意图。
[0040]
图中：1光纤；2台阶式镜面；3流向尾舵；4金属底座；5光纤保护铠甲；6光纤固定卡箍；7内圆柱体；8流向轴；9流向标；10外空心圆筒；11轴承。
具体实施方式
[0041]
以下将结合附图，对监测桥梁桥墩周围流水流向的光纤传感器具体实施方式进行说明。
[0042]
如图所示，本发明提供一种用于监测桥梁桥墩周围流水流向的光纤传感器包括光纤1、台阶式镜面2、流向尾舵3、金属底座4、光纤保护铠甲5、光纤固定卡箍6、内圆柱体7、流向轴8、流向标9、外空心圆筒10、轴承11。
[0043]
针对设计方案一：
[0044]
所述的光纤1通过光纤固定卡箍6固定于外空心圆筒10顶端，光纤固定卡箍6与外空心圆筒10的轴线角度和台阶式镜面2的倾斜角一致，这样使得光纤1端头在外空心圆筒10 转动过程中始终与台阶式镜面2保持垂直。光纤1的初始位置位于内圆柱体7的上表面台阶式镜面2的圆周外侧，且与内圆柱体7保持一定的距离。
[0045]
所述的光纤保护铠甲5用来保护光纤1；
[0046]
所述的金属底座4、内圆柱体7、外空心圆筒10和轴承11同心、同轴，台阶式镜面2 与外空心圆筒10的顶端保持一定距离；
[0047]
所述的流向尾舵3、流向轴8、流向标9与外空心圆筒10可通过焊接的方式连接，流向尾舵3、流向轴8和流向标9位于同水平方向；
[0048]
所述的金属底座4的底面半径大于外空心圆筒10的底面半径，外空心圆筒10和内圆柱体7底面平齐，外空心圆筒10的高度高于内圆柱体7；
[0049]
所述的台阶式镜面2可以采用真空金属溅射或者打磨抛光，台阶式镜面2的倾斜角
度可调；
[0050]
所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随着水流流向发生转动，带动外空心圆筒10随之发生转动，进一步引起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
[0051]
所述的金属底座4、外空心圆筒10、轴承11使整个监测装置密封，保护了光纤法珀干涉仪；
[0052]
所述的轴承11位于外空心圆筒10底面，通过对金属底座4开凿设置轴承11来支撑和传动外空心圆筒10；
[0053]
所述的流向尾舵3、流向轴8和流向标9构成了流体指向标，旋转角度为360
°
；
[0054]
所述的内圆柱体7的圆柱半径、台阶式镜面2的倾斜角度、光纤1端面到内圆柱体7 的距离和流向轴8的长度可根据所需灵敏度进行调整。
[0055]
设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
[0056]
所述的光纤1和光纤保护铠甲5穿过金属底座4和内圆柱体7，与台阶式镜面2形成法珀腔，光纤1位于台阶式镜面2圆周外侧下方；
[0057]
所述的光纤1与台阶式镜面2的倾斜角一致，这样使得光纤1端头在外空心圆筒10转动过程中始终与台阶式镜面2保持垂直；
[0058]
所述的光纤1的端面与台阶式镜面2形成法珀腔，当流向标9随着流体流向发生转动，带动台阶式镜面2随之发生转动，进一步引起光纤1端部与台阶式镜面2的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变。
[0059]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，用于监测流水流向的光纤传感器包括光纤(1)、台阶式镜面(2)、流向尾舵(3)、金属底座(4)、光纤保护铠甲(5)、光纤固定卡箍(6)、内圆柱体(7)、流向轴(8)、流向标(9)、外空心圆筒(10)和轴承(11)；所述的金属底座(4)、外空心圆筒(10)和轴承(11)使整个装置密封；所述的光纤保护铠甲(5)用来保护光纤(1)；所述的金属底座(4)、内圆柱体(7)、外空心圆筒(10)和轴承(11)同心、同轴，台阶式镜面(2)与外空心圆筒(10)的顶端保持一定距离；所述的台阶式镜面(2)可以采用真空金属溅射或者打磨抛光；所述的轴承(11)位于外空心圆筒(10)底面，通过对金属底座(4)开凿设置轴承(11)来传动外空心圆筒(10)，光纤(1)的初始位置位于内圆柱体(7)的上表面台阶式镜面(2)的圆周外侧，且与内圆柱体(7)保持一定的距离。2.根据权利要求1所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(1)通过光纤固定卡箍(6)固定于外空心圆筒(10)顶端，光纤固定卡箍(6)与外空心圆筒(10)的轴线角度和台阶式镜面(2)的倾斜角一致，这样使得光纤(1)端头在外空心圆筒(10)转动过程中始终与台阶式镜面(2)保持垂直。3.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的流向尾舵(3)、流向轴(8)、流向标(9)与外空心圆筒(10)通过焊接的方式连接，流向尾舵(3)、流向轴(8)和流向标(9)位于同水平方向。4.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的金属底座(4)的底面半径大于外空心圆筒(10)的底面半径，外空心圆筒(10)和内圆柱体(7)底面平齐，外空心圆筒(10)的高度高于内圆柱体(7)。5.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(1)的端面与台阶式镜面(2)形成法珀腔，当流向标(9)随着流体流向发生转动，带动外空心圆筒(10)随之发生转动，进一步引起光纤(1)端部与台阶式镜面(2)的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变。6.根据权利要求1所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的流向尾舵(3)、流向轴(8)和流向标(9)构成了流体指向标，旋转角度为360
°
。7.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的内圆柱体(7)的圆柱半径、台阶式镜面(2)的倾斜角度、光纤(1)端面到内圆柱体(7)的距离和流向轴(8)的长度可根据所需灵敏度进行调整。8.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的轴承(11)减轻了外空心圆筒(10)和金属底座(4)之间的滑动摩擦，使测量结果更精准。9.根据权利要求1或2所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(1)和光纤保护铠甲(5)穿过金属底座(4)和内圆柱体(7)，与台阶式镜面(2)形成法珀腔，光纤(1)位于台阶式镜面(2)圆周外侧下方。
技术总结本发明提供了一种用于监测桥梁桥墩周围水流流向的光纤传感器，属于测量技术领域。所述的用于监测桥墩周围流水流向的光纤传感器包括光纤、台阶式镜面、流向尾舵、金属底座、光纤保护铠甲、光纤固定卡箍、内圆柱体、流向轴、流向标、外空心圆筒和轴承。该装置通过观察光谱仪中光谱的变化，运用法珀光纤干涉原理和几何关系，实现对桥墩周围水流流向的实时监测，有效分析水流对桥墩结构的影响，合理制定维护措施，从而延长桥梁结构的使用寿命。本发明抗干扰能力强、精确度高、自适应能力强，具有广阔的应用前景和推广市场。的应用前景和推广市场。的应用前景和推广市场。
技术研发人员：唐福建 匡一航 李宏男 周霞
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2022/7/5
