混凝土材料封裝的混合量程fbg應變、裂紋傳感器的製作方法
2023-05-31 04:00:51
專利名稱：混凝土材料封裝的混合量程fbg應變、裂紋傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用光纖光柵來監測混凝土中應變的傳感器，具體說就是通過基於光纖光柵(FBG)的應變傳感技術，利用分別經過預張拉的光纖光柵及與微彈簧固結的彈簧光柵光纖實現對混凝土內部小應變、大應變乃至裂紋的測量。傳感器使用混凝土對光柵光纖進行封裝，實現對光纖光柵的保護，更重要的是消除了封裝結構彈性模量不匹配帶來的測量誤差。
背景技術：
光纖光柵(FBG)是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發展而另闢新徑的一種嶄新的傳感技術，在最近的10多年時間裡，已成為傳感器領域發展最快的技術，被認為是二十世紀末測試領域最重要的發明之一。混凝土埋入式光纖光柵傳感器是一種基於光纖光柵技術的新型應變傳感器，被廣泛應用於工程監測領域。使用此類傳感器以代替傳統應變片對大型橋梁、大壩、公路、隧道、 高層建築等混凝土結構關鍵部位應力狀態實施監測。但是，現有的這類用於測量混凝土內部應變的光纖光柵傳感器主要存在以下兩種問題(1)封裝材料所導致的誤差由於裸光纖光柵過於纖細，埋入混凝土結構時極易在混凝土施工過程中損壞，因此必須對光纖光柵進行封裝，以保護其不受外界侵害。但是現有的傳感器多採用複合材料、鋼管、鋼片等非混凝土材料作為封裝材料，由於此類材料的彈性模量與待測環境中的混凝土彈性模量不一致，所以此類傳感器會使其附近區域的應力場和應變場重新分布，導致其測得的應變結果與真實值存在較大差異。(2)測量應變範圍的限制由於光纖光柵本身拉伸長度限制，現有光纖光柵應變傳感器只能監測混凝土結構中的微小應變。但對於路面等受外界荷載較大的混凝土結構， 內部往往產生很大的應變，甚至產生裂紋，現有傳感器將不能滿足監測需求。
發明內容
本發明提供了一種能夠精確監測混凝土中小應變、大應變乃至裂紋的光纖光柵傳感器。該傳感器內部有一根經過張拉的與微彈簧固結的彈簧光纖光柵以及一根經過張拉的純光纖光柵，當混凝土內應變較小時，經過張拉的純光纖光柵可對應變進行精度較高的測量；當混凝土內部應變較大，超出光纖光柵拉伸範圍時，純光纖光柵退出工作，與微彈簧固結的彈簧光纖光柵開始對大應變，乃至裂紋進行測量。且光柵均在大標距下工作，提高了工作區域的有效長度。同時增加的溫度傳感器對整個傳感器進行溫度補償，進一步減小誤差。另外，由於採用混凝土對光柵光纖進行封裝，克服了封裝材料彈模與待測混凝土不一致對測量結果的影響，精度比現有用其他材料封裝的光纖光柵傳感器高，且成本較低。本傳感器採用與被測混凝土結構相同的混凝土材料進行封裝，利用相同的材料，克服了不同材料不同的彈性模量對監測結果的影響傳感器中光柵均在大標距下工作，有效工作範圍增加， 故能夠更加真實客觀的反映材料應變，克服偶然因素對監測可能造成的比較大的影響；傳感器內部埋設了彈簧光柵，實現了對大應變、大裂紋乃至大裂紋的有效監測；傳感器內部純光纖光柵、連接彈簧的彈簧光纖光柵、溫度傳感光柵的聯合應用，既實現了高低精度互補工作，對大小應變進行有效監測，又實現了溫度補償，解決了測量時溫度對測量結果的影響。本發明的技術方案如下一種混凝土材料封裝的混合量程FBG應變、裂紋傳感器，該傳感器包括連接彈簧的彈簧光纖光柵、純光纖光柵、預製的混凝土封裝結構、兩個貫通槽、感溫槽、溫度傳感器和鎧裝光纜；預製的混凝土封裝結構帶有兩個貫通槽和一個感溫槽；處於張拉狀態的連接彈簧的彈簧光纖光柵以及處於張拉狀態的純光纖光柵分別置於兩個貫通槽中。連接彈簧的彈簧光纖光柵的兩端以及另一根純光纖光柵的兩端分別與各自所處的貫通槽兩端固結以保持預張拉力；溫度傳感器置於感溫槽中，彈簧光纖光柵、純光纖光柵及溫度傳感器用鎧裝光纜連接引出。應用經過一定預張拉的純光纖光柵可以精確監測拉、壓應變，其應變量程小。 應用經過一定預張拉的連接彈簧的彈簧光纖光柵可以較為準確的測量拉、壓應變與準確測量傳感標距內產生的裂紋，其應變與裂紋量程大。應用該傳感器可以監測一般鋼筋混凝土拉、壓破壞的全過程，這是同類應變傳感器無法實現的。本發明的有益效果是工藝簡單，適於產業化生產，成本低廉；能夠長時間監測混凝土內的大應變，乃至裂紋及小應變；傳感器所採用的封裝材料為混凝土，測量精確度高。
圖1為預製的混凝土封裝結構透視圖。圖2為應變傳感器透視圖。圖3為應變傳感器A-A剖面圖。圖4為應變傳感器B-B剖面圖。圖中1彈簧光纖光柵；2純光纖光柵；3溫度傳感器；4鎧裝光纜；5預製的混凝土封裝結構；6貫通槽；7感溫槽。
具體實施例方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。光纖光柵應變傳感器結構構成如圖2和圖3所示，該應變傳感包括彈簧光纖光柵 1、純光纖光柵2、預製的混凝土材料封裝結構5、兩個貫通槽6、感溫槽7、溫度傳感器3和鎧裝光纜4。首先分別將連接彈簧的彈簧光纖光柵、純光纖光柵埋入兩個貫通槽中，之後用膠將彈簧光纖光柵、純光纖光柵的一端與所處混凝土封裝結構固結，後對連接彈簧的彈簧光纖光柵、純光纖光柵施加一定水平的張拉預應力，再固結兩組光纖光柵的另一端，然後將溫度傳感器埋入感溫區中，最後用鎧裝光纜連接引出的兩組光纖光柵及溫度傳感器。
權利要求
1. 一種混凝土材料封裝的混合量程FBG應變、裂紋傳感器，其特徵在於，該傳感器包括連接彈簧的彈簧光纖光柵(1)、純光纖光柵O)、預製的混凝土封裝結構(5)、兩個貫通槽(6)、感溫槽(7)、溫度傳感器C3)和鎧裝光纜；預製的混凝土封裝結構帶有兩個貫通槽和一個感溫槽；處於張拉狀態的彈簧光纖光柵和處於張拉狀態的純光纖光柵分別置於兩個貫通槽中；彈簧光纖光柵的兩端、純光纖光柵的兩端分別與各自所處的貫通槽兩端固結； 溫度傳感器置於感溫槽中，彈簧光纖光柵、純光纖光柵及溫度傳感器用鎧裝光纜連接引出。
全文摘要
本發明公開了一種混凝土材料封裝的混合量程FBG應變、裂紋傳感器。該傳感器包括預製的混凝土材料封裝結構、與微彈簧固結的彈簧光纖光柵、純光纖光柵、溫度傳感器、貫通槽、感溫區、鎧裝光纜。首先分別將與彈簧固結的彈簧光纖光柵、純光纖光柵埋入兩個貫通槽中，之後將兩組光纖光柵的一段與模具用高性能膠黏劑固結，後對兩組光纖光柵施加張拉預應力，再固結兩組光纖光柵的另一端，然後將溫度傳感器埋入封裝結構中，最後用鎧裝光纜連接引出的兩組光纖光柵及溫度傳感器。該傳感器適於土木工程結構健康監測的各類混凝土結構內部，工藝簡單，布設方便，精確度高，量程大，可以實現對混凝土結構拉、壓破壞全過程的內部應變、裂紋監測。
文檔編號G01B11/16GK102243066SQ20111009199
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者王永成, 趙拓, 趙雪峰, 陳俊東 申請人:大連理工大學