CN100449261C - 可更换的埋入式光纤应变传感器 - Google Patents

Abstract

一种可更换的埋入式应变传感器，属于土木工程技术领域。包括套管、应变传感装置若干；套管为空心管状，应变传感装置置于套管内；套管的底端任一侧表面上开设孔洞；所述的应变传感装置包括：不锈钢片、光纤光栅、传输光纤；不锈钢片紧贴于套管外表面，光纤光栅的上端与传输光纤的一端相连，光纤光栅的基底端经孔洞与套管外的不锈钢片相固结，传输光纤的另一端伸出套管外。本发明可以在应变传感装置老化之后对其进行更换以满足长期监测的需要，而且同时适用于结构内的混凝土和钢筋。

Description

可更换的埋入式光纤应变传感器

技术领域

本发明涉及的是一种土木工程技术领域的传感器，具体涉及一种可更换的埋入式应变传感器。

背景技术

光纤应变传感器由于自身优异的性能，已经成为传统电阻应变片的替代品，被广泛应用于大型桥梁、大坝、隧道、重要建筑等钢筋混凝土结构关键部位受力状况的监测。但目前一般光纤应变传感器的稳定性和可靠性仅能维持十五年左右，远小于钢筋混凝土结构一般为几十年甚至上百年的使用寿命。因此在结构监测的过程中，对传感器的更换在所难免。目前有关埋入式光纤应变传感器的设计虽有多种，但都不具备更换功能。此外，现有传感器都只能用于混凝土应变的监测，而不适用于钢筋混凝土结构内的钢筋。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利，申请号：01129192.3，专利名称：“混凝土结构埋入式光纤应变传感头”，公开了一种可用于钢筋混凝土结构的埋入式光纤应变传感器，其结构包括隔离套管、弹性密封连接段、裸光纤应变传感装置以及引出光纤等，其缺陷是：只注重解决了传感器的保护问题，而没有考虑到更换问题，一旦传感器达到使用寿命就丧失了继续监测的能力，此外传感器只能用于混凝土应变的监测，而不适用于钢筋混凝土结构内的钢筋。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种可更换的埋入式光纤应变传感器。本发明可以在应变传感装置老化之后对其进行更换以满足长期监测的需要，而且同时适用于结构内的混凝土和钢筋。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：套管、应变传感装置，套管为空心管状，应变传感装置置于套管内，套管的底端任一侧表面上开设孔洞；所述的应变传感装置包括：不锈钢片、光纤光栅、传输光纤；不锈钢片紧贴于套管外表面，光纤光栅的上端与传输光纤的一端相连，光纤光栅的基底端经孔洞与套管外的不锈钢片相固结，传输光纤的另一端伸出套管外。

所述的套管，一端封闭，另一端为开口，开口端设有活性封口。套管的功能是保护并定位内部的光纤光栅和传输光纤。

所述的套管，其横截面是矩形。

所述的不锈钢片，位于套管的外表面，紧贴套管的孔洞，且面积大于孔洞的面积。不锈钢片，作为光纤光栅的基底，用来直接接触被监测的目标(混凝土或者钢筋)，感应其应变。

所述的光纤光栅的基底端经孔洞与套管外的不锈钢片相固结，是指：于孔洞处通过环氧树脂与套管外的不锈钢片相固结。光纤光栅置于套管内，于孔洞处通过环氧树脂与套管外的不锈钢片相固结，用来感应不锈钢片传来的外部应变。

所述的传输光纤，一端置于套管内，连接光纤光栅，另一端位于套管外，将信号传输给外部的光信号解调装置。

本发明为实现应变监测的工作机理是，首先，按以上说明将各部件封装成本应变传感器。在浇筑混凝土之前，将其埋入结构内，使不锈钢片位于待测应变的位置。如果待测位置处为混凝土，则混凝土浇筑后，内部的胶凝材料将使不锈钢片与待测位置的混凝土实现协同工作。如果待测位置处为钢筋，则需先将不锈钢片固结于钢筋上的待测位置，实现协同工作。

不锈钢片与待测位置的协同工作性将使其能感应到待测位置处发生的应变，然后将其传递给自身上所固结的光纤光栅，引起光纤光栅内部传感信号的变化，这一变化通过传输光纤传递到外部的光信号解调装置，进行分析后可得到应变的信息。这样就实现了对待测位置处的应变监测。

本发明实现可更换应变传感装置的工作机理是：当用于应变传感的光纤光栅及传输光纤发生老化之后，打开套管上端的活性封口，向套管内注入环氧树脂的溶剂(最常用的是丙酮)，浸泡一段时间后可溶解光纤光栅与不锈钢片之间的环氧树脂，使光纤光栅脱落，然后将其与传输光纤一起从套管内拉出；注入丙酮用以清洗套管内部，待丙酮自然挥发后将新的光纤光栅与新传输光纤连接好，在光栅的基底面涂抹好环氧树脂，然后将其伸入套管，到达不锈钢片的位置。将细杆伸入套管，给光纤光栅施加作用，使其贴向不锈钢片，环氧树脂的作用将使其和不锈钢片粘结在一起；最后用活性封口将套管开口端封闭，新光纤光栅又恢复正常工作。由于不锈钢片自身性能稳定、寿命长，所以不需随光纤光栅和传输光纤一起更换。当这个更换后的光纤光栅与传输光纤再老化之后，同上进行更换操作，从而保证了应变监测的长期连续性。

本发明最突出的优点是(1)可以实现对埋入式传感器的替换，保证在被测结构的整个使用期内都可以进行应变监测；(2)可在一个套管内布置多个应变传感装置，同时获取多个数据；(3)可同时适用于混凝土结构内的钢筋和混凝土；(4)由于光纤传感器非常微小，涂敷层的外径小于一毫米，本套管的直径可控制在毫米级，因此对混凝土的应力分布影响可以忽略；(5)适用于不同类型的光纤传感装置，如强度型、干涉型和Bragg光栅型；(6)传感器的替换操作比较简便可靠。

附图说明

图1为本发明的应变传感装置的正视图(结构示意图)。

图2为图1的A-A剖面图(结构示意图)。

图3为图1的俯视图(结构示意图)。

图4为实施例测混凝土应变时的传感器布置示意图。

图5为实施例测钢筋应变时的传感器布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例包括：套管1、应变传感装置，套管1为空心管状，应变传感装置置于套管1内，套管1的底端任一侧表面上开设孔洞，应变传感装置包括：不锈钢片2、光纤光栅3、传输光纤4；不锈钢片2紧贴于套管1外表面，光纤光栅3的上端与传输光纤4的一端相连，光纤光栅3的基底端经孔洞与套管1外的不锈钢片2相固结，传输光纤4的另一端伸出套管1外。

首先确定应变待测点到混凝土外表面的距离，然后取一略大于该值的数值作为矩形套管1的长度，在套管1的一个侧面的下部位置开一孔洞，该孔洞的面积大于光纤光栅3的面积，但小于不锈钢片2的面积。将光纤光栅3与传输光纤4连接好，传输光纤4外接于解调设备。将不锈钢片2从套管1的外表面贴于孔洞之上，然后将光纤光栅3伸入套管1内，通过环氧树脂6固结于不锈钢片2上。最后在套管1的开口端装上活性封口7。在用于测混凝土8的应变时，为了增强不锈钢片2与混凝土8之间的协同工作性能，也可在不锈钢片2朝外的一面做出凹凸纹或波纹状起伏。封装后的传感器结构如附图1、2、3所示。附图1中箭头所示的方向为所测的应变方向。

监测混凝土8应变时的传感器安装与更换操作：

在浇注混凝土8之前，将封装后的本传感器固定于待测应变的位置附近，使套管1开口端位于构件外表面，不锈钢片2的位置对应于指定测点，光纤光栅3的传感方向对应于待测应变的方向，如附图4所示。

在浇注混凝土8时，用抽管法对传感器进行保护。所谓抽管法，是用一根直径略大于传感器截面宽度的钢管将它套装保护起来，就像纵筋一样固定在混凝土截面中。进行浇注时，待振捣完成之后将套管抽出，传感器留在原位。钢管可以很好的保护传感器免受外界不利环境的干扰。混凝土浇注完成后，传感器被预埋在指定位置，不锈钢片2由于位于套管外部，将与周围的混凝土8紧密接触。

在正常使用阶段，不锈钢片2将感应到所在位置处的应变，并将其传递到光纤光栅3上，然后通过传输光纤4和外部解调设备5可以获得该处的应变值。

当该光纤光栅3及传输光纤4发生老化之后，按如下步骤进行更换操作：

打开套管1上端的活性封口7，向套管1内注入环氧树脂的溶剂(酮类、酯类、醚类和氯代烃类，最常用的是丙酮)，浸泡一段时间后可溶解光纤光栅3与不锈钢片2之间的环氧树脂6，使光纤光栅3脱落，然后将其与传输光纤4一起拉出。用丙酮清洗套管内部，待丙酮自然挥发后，将新的光纤光栅3与新传输光纤4连接好，在光纤光栅3底面抹好环氧树脂，然后将其伸入套管1，到达不锈钢片2的位置。然后将细杆伸入套管1，给光纤光栅3施加作用，使其贴向不锈钢片2，并通过环氧树脂的作用粘结在一起。将套管1开口端用活性封口7封闭。新光纤光栅3开始正常工作。

在监测结构内混凝土8的应变的情况下，本实施例实现了对埋入式传感器的替换，而且替换操作简便可靠。当光纤光栅3与传输光纤4再老化之后，可同上进行更换操作，从而保证了应变监测的长期连续性，在被测结构的整个使用期内都可以进行监测。

监测钢筋9应变时的传感器安装与更换操作：

在浇注混凝土之前，将套管1外的不锈钢片2固结于钢筋9上的待测位置，光纤光栅3的传感方向对应于待测应变的方向，如附图5所示。

在浇注混凝土时，同样用抽管法对传感器进行保护。

在正常使用阶段，不锈钢片2将感应到所在位置处钢筋9的应变，并将其传递到光纤光栅3上，通过传输光栅4和解调设备5可以获得该处的应变值。

当该光纤光栅3及传输光纤4发生老化之后，按监测混凝土8应变时的同样步骤进行更换操作。

在监测结构内钢筋9的应变的情况下，本实施例实现了对埋入式传感器的替换，而且替换操作简便可靠。当光纤光栅3与传输光纤4再老化之后，可同上进行更换操作，从而保证了应变监测的长期连续性，在被测结构的整个使用期内都可以进行监测。

Claims (5)

1.一种可更换的埋入式应变传感器，包括：套管、应变传感装置，套管为空心管状，应变传感装置置于套管内，其特征在于，套管的底端任一侧表面上开设孔洞，所述的应变传感装置包括：不锈钢片、光纤光栅、传输光纤，不锈钢片紧贴于套管外表面，光纤光栅的上端与传输光纤的一端相连，光纤光栅的基底端经孔洞与套管外的不锈钢片相固结，传输光纤的另一端伸出套管外；

所述的光纤光栅的基底端经孔洞与套管外的不锈钢片相固结，是指：光纤光栅的基底端于孔洞处通过环氧树脂与套管外的不锈钢片相固结。

2.如权利要求1所述的可更换的埋入式应变传感器，其特征是，所述的套管一端封闭，另一端为开口，开口端设有活性封口。

3.如权利要求1或2所述的可更换的埋入式应变传感器，其特征是，所述的套管，其横截面是矩形。

4.如权利要求1所述的可更换的埋入式应变传感器，其特征是，所述的不锈钢片，位于套管的外表面，紧贴套管的孔洞。

5.如权利要求4所述的可更换的埋入式应变传感器，其特征是，所述的不锈钢片，其面积大于孔洞的面积。

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