CN101004469A - 高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于布里渊分布式传感技术的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头及其制作方法。它包括光纤，光纤外包裹有纤维增强塑料筋，光纤沿长度方向布设在纤维增强塑料筋中。本发明基于FRP封装，具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高、抗电磁干扰、全分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点。彻底克服了光纤脆弱、分布式布设困难，传感探头布设成本高的缺点，可以根据工程实际需要，制成任意长度，使用非常方便，特别适于产业化生产，在分布式光纤传感领域具有十分广阔的应用前景，为布里渊传感技术在实际工程中的应用提供了技术支持。

Description

高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头及其制作方法

(一)技术领域

本发明涉及智能监测领域，具体涉及的是一种结构智能监测传感元件及其制作方法。

(二)背景技术

重大基础设施，如大跨建筑结构、桥梁隧道、天然气、石油管道、高速公路等结构物，在各种荷载和外部环境的共同作用下会发生累积损伤。但这些损伤具有范围大、距离长、监测部位隐蔽等分布式特点，以致传统的单点式和准分布式监测手段难以胜任。分布式光纤传感技术是上世纪70年代后期发展起来的一项新技术，其中基于瑞利散射和拉曼散射原理的分布式传感技术研究已经比较成熟，但是基于布里渊散射技术的分布式传感技术在应变、温度测试精度和空间分辨率方面远远高于其它分布式传感技术。自从1989年，Horiguchi和Culverhouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性实现分布式温度和应变传感以来，利用布里渊散射光来检测光纤沿线应变和温度技术目前已成为一些发达国家如日本、加拿大和美国等国家竟相发展的课题，并取得了一些成绩。经过近10多年的发展，基于布里渊传感技术的应变、温度监测系统的空间分辨率已达到10cm，应变测试精度±6με，温度测试精度1℃，传感距离80公里。布里渊分布式光纤传感技术除具有普通光纤传感的如抗电磁场干扰、电绝缘性好、不受潮湿环境影响、耐久性好、耐腐蚀性好量轻、体积小、对结构影响小、绝对测量等优点外，其显著的特点是采用了普通的单模光纤作为其敏感元件，传感探头成本低。此外，可以准确测出光纤沿线上任一点被测量场在时间、空间上的分布信息，是真正意义上的大规模全分布式监测系统。利用这一技术可以方便对大型、超大型结构进行大规模全分布式的应变、温度监测。但是，由于裸光纤特别纤细，外径约为125微米左右，其主要成分是SiO₂，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其作为敏感元件应用于实际工程中遇到了布设工艺难题，因此裸光纤根本不能适应混凝土等结构粗放式生产方式与恶劣的服役环境，严重地制约了布里渊传感技术在土木工程中的应用。目前分布式光纤传感探头应用于工程实际中，大多数还是采用高分子胶粘剂将裸光纤封装成传感探头或直接采用胶粘剂将裸光纤通过开槽或粘贴的方式布设到结构件上。第一种办法高分子胶易老化，产生蠕变，该种探头耐久性差；第二种方法的可操作性太差。因此将传感探头与其它性能优越的材料复合，开发抗拉强度高，耐久性好的BOTDA(R)传感探头是布里渊传感技术在实际中成功应用的关键。

纤维增强塑料(FRP)是以连续纤维组成的复合材料。这种连续纤维首先浸渍在用于粘合纤维的聚合物中，然后加工成所需要的形状。根据纤维种类的不同，纤维增强塑料可分为碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维增强塑料及混杂增强塑料等。纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性。其中碳纤维原丝纤维方向的抗拉强度可以达到普通钢筋的十几倍，而高弹模碳纤维的弹性模量可以达钢材的2～3倍，并具有较高的防磁和防辐射性能，曾在军工生产中用于隐行飞机、防磁和防辐射工程。把布里渊光纤传感探头封装在FRP中，可以很好的保护裸光纤，提高传感探头的抗拉强度、耐腐蚀性、耐久性。目前，未见将纤维增强塑料(FRP)与裸光纤结合作为光纤传感探头，并专门封装成传感器的报道。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便，具有良好的温度、应变感知特性的基于纤维增强塑料筋(FRP)封装的BOTDA(R)传感探头(BOTDA(R)-FRP-OF)及其制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头的组成包括光纤，光纤外包裹有纤维增强塑料筋，光纤沿长度方向布设在纤维增强塑料筋中。

本发明的产品是采用这样的方法来制作的：

将光纤与泡过环氧树脂的纤维纤维增强塑料一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程处理制成高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的纤维增强塑料筋表面进行喷砂处理或在纤维增强塑料筋外缠绕树脂；

2、所述的FRP筋两端用锚头锚固，外包裹一层热塑管，热塑管与FRP筋之间注入润滑油；

3、所述的FRP筋与锚头之间注入环氧铁砂浆；

4、所述的锚头为带螺栓孔的不锈钢锚头，通过螺栓或表面焊接把该传感探头固定在结构表面；

5、所述的FFR筋中平行布设一或两根裸光纤；

6、所述的光纤在尾端有露出的一段用以连接其它光纤的铠装光纤；

7、所述的将光纤与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具时将光纤作为中间束送入；

8、所述的将加工成形的纤维增强塑料-光纤传感筋切割成所需的长度，制成各种不同形式的BOTDA(R)-FRP-OF传感探头，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上。

本发明产品的光纤布置于纤维增强塑料筋中，是通过在纤维增强塑料加工成形过程中将光纤跟纤维束一起进入拉拔模具，经过热处理工艺有机地构成一体的。由于光纤与纤维增强塑料固结良好，保证了光纤与纤维增强塑料的协同变形，从而光纤感应的应变就是纤维增强塑料的变形。这种复合传感探头兼具纤维增强塑料与分布式光纤传感的优点，如轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高(可达±10με)、抗电磁干扰、全分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点。同时纤维增强塑料是光纤的一种优良封装保护，克服了裸光纤难以适应钢筋混凝土等结构粗放式施工的要求，大大提高了光纤的耐久性。这样，BOTDA(R)-FRP-OF分布式智能传感探头就把纤维增强塑料的优良力学特性、防锈耐久和抗电磁干扰特性与基于布里渊散射原理的光纤传感技术有机结合，适合于对大跨、桥梁等大型、超大型结构进行全分布式的健康监测。BOTDA(R)-FRP-OF传感探头作为传感元件彻底克服了光纤脆弱、分布式布设困难，传感探头布设成本高的缺点，这种纤维增强塑料-光纤传感筋可以根据工程实际需要，切割成任意长度，使用非常方便，特别适于产业化生产。

针对不同的工程应用背景，本发明包括一系列不同形式的、基于FRP封装的BOTDA(R)传感探头：端部扩径直接埋入式的传感探头(Embeddable BOTDA(R)-FRP-OF)、筋式直接埋入式的传感探头(BOTDA(R)-FRP-OF Rebar)、表面布设式的传感探头(Surface InstalledBOTDA(R)-FRP-OF)。该系列传感探头的结构形式如下：

1、端部扩径直接埋入式的传感探(Embeddable BOTDA(R)-FRP-OF)

(1)纤维增强塑料(FRP)筋表面包裹一层塑料管；

(2)FRP筋与塑料管之间注入有润滑油；

(3)FRP筋两端用不锈钢锚头锚固，FRP筋与锚头之间注入环氧铁砂浆；

(4)光纤位于纤维增强塑料筋的中心。

锚头的作用是防止传感探头在结构物内中产生滑移，使探头能够与结构协同变形。润滑油是隔离结构对两锚头之间的探头作用，使传感探头只受轴向拉压应力，因此该传感探头测的应变是该探头附近的平均应变。此外，该传感探头可以根据工程实际需要，制成任意标距(大于0.5m)，使用非常方便，特别适于产业化生产。

2、筋式直接埋入式的传感探头(BOTDA(R)-FRP-OF Rebar)

(1)纤维增强塑料(FRP)筋表面缠绕树脂纤维增强塑料筋或表面进行喷砂处理，使纤维增强塑料筋的表面形成麻面；

(2)光纤同样位于纤维增强塑料筋的中心。

该传感探头埋入混凝土等结构物中，可以很好的与结构耦合在一起，协同变形。同样根据工程实际需要，该探头可以切割成任意长度，使用非常方便，特别适于产业化生产。

3、表面粘贴式的传感探头(Surface Installkd BOTDA(R)-FRP-OF)

表面粘贴式的传感探头的结构形式与端部扩径直接埋入式的传感探头的结构形式基本一致。不同之处在于，该探头的锚头是带螺栓孔，主要通过螺栓锚固或直接焊接在结构物表面。

此外，根据BOTDA或BOTDR的测试技术要求以及其在实际工程应用中的需要，每种形式的BOTDA(R)-FRP-OF传感探头可分为有两种形式：一是FRP筋中只布设一根裸光纤；二是FRP筋中平行布设两根裸光纤。本发明针对裸光纤不易直接在实际工程中应用的问题，提供了一系列结构简单、使用方便，具有良好的温度、应变感知特性的基于FRP封装的BOTDA(R)传感探头(BOTDA(R)-FRP-OF)。

将光纤与泡过环氧树脂的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体。考虑光纤的封装保护，光纤作为中间束送入，成形后光纤正好处于纤维增强塑料的正中间。工程应用或试验需要时，将加工成形的纤维增强塑料一光纤传感筋切割成任意所需的长度，制成各种不同形式的BOTDA(R)-FRP-OF传感探头，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上即可。

(四)附图说明

图1-图4是本发明实施例1的结构示意图；

图5-图6是本发明实施例2的结构示意图；

图7-图10是本发明实施例3的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做更详细的描述：

结合附图，本发明BOTDA(R)-FRP-OF智能传感探头的结构组成包括纤维增强塑料(FRP)筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤。本发明的产品可以采用这样的方法来制作：将光纤与泡过环氧树脂的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体。考虑光纤的封装保护，光纤作为中间束送入，成形后光纤正好处于纤维增强塑料的正中间。工程应用或试验需要时，将加工成形的纤维增强塑料-光纤传感筋切割成任意所需的长度，制成各种不同形式的BOTDA(R)-FRP-OF传感探头，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上即可。

实施例1：端部扩径直接埋入式的传感探(Embeddable BOTDA(R)-FRP-OF)

结合图1-4，本实施例包括光纤1，光纤1外包裹有纤维增强塑料筋2，光纤1沿长度方向布设在纤维增强塑料筋2中。为了防止探头在埋入混凝土后产生滑移，在FRP筋两端用不锈钢锚头3锚固。FRP筋外包裹一层热塑管4，热塑管与FRP筋之间注入润滑油5消除混凝土对两锚头之间探头的作用，使传感探头只受轴向应力的作用。FRP筋与锚头之间注入环氧铁砂浆6：图2和图4是锚头横截面示意图，图1中FRP筋中平行布设一根裸光纤，图3中FRP筋中平行布设了两根裸光纤。

实施例2：筋式直接埋入式的传感探头(BOTDA(R)-FRP-OF Rebar)

结合图5-6，本实施例包括光纤1，光纤1外包裹有纤维增强塑料筋2，光纤沿长度方向布设在纤维增强塑料筋中。为了更好地与混凝土粘合，纤维增强塑料筋表面进行喷砂处理，使纤维增强塑料筋的表面形成麻面，或是在纤维增强塑料筋外缠绕树脂8，图5中FRP筋中平行布设一根裸光纤，图6中FRP筋中平行布设了两根裸光纤。

实施例3：表面粘贴式的传感探头(Surface Installed BOTDA(R)-FRP-OF)

结合图7-10，本实施例与实施例1的结构形式基本一致，锚头为带螺栓孔7的不锈钢锚头，通过螺栓或表面焊接的方法把该传感探头固定在结构表面。图7中FRP筋中平行布设一根裸光纤，图9中FRP筋中平行布设了两根裸光纤，图8和图10是锚头横截面示意图。

Claims (10)

1、一种高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：它包括光纤，光纤外包裹有纤维增强塑料筋，光纤沿长度方向布设在纤维增强塑料筋中。

2、根据权利要求1所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的纤维增强塑料筋表面进行喷砂处理或在纤维增强塑料筋外缠绕树脂。

3、根据权利要求2所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的FRP筋两端用锚头锚固，外包裹一层热塑管，热塑管与FRP筋之间注入润滑油。

4、根据权利要求3所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的FRP筋与锚头之间注入环氧铁砂浆。

5、根据权利要求4所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的锚头为带螺栓孔的不锈钢锚头，通过螺栓或表面焊接把该传感探头固定在结构表面。

6、根据权利要求5所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的光纤在尾端有露出的一段用以连接其它光纤的铠装光纤。

7、根据权利要求6所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头，其特征是：所述的FRP筋中平行布设一或两根裸光纤。

8、一种高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头的制作方法，其特征是：将光纤与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程处理构成。

9、根据权利要求8所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头的制作方法，其特征是：所述的将光纤与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具时将光纤作为中间束送入。

10、根据权利要求8所述的高耐久性大规模分布式光纤布里渊纤维增强树脂探头的制作方法，其特征是：所述的将加工成形的纤维增强塑料-光纤传感筋切割成所需的长度，制成各种不同形式的BOTDA(R)-FRP-OF传感探头，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上。

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