CN101275916B - 分布式无滑移光纤应变传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

分布式无滑移光纤应变传感器及其制造方法是一种用于结构设施的健康检测和监测的分布式无滑移布里渊散射光纤应变传感器及其制造方法，其特征在于该传感器以UV树脂单模光纤为基材，在其上设有除去UV树脂涂覆层的单模裸光纤部分，在所述裸光纤的外部设有玄武岩纤维封装层，构成光纤应变传感器。对于全粘贴封装方式，外部由玄武岩纤维经环氧树脂含浸后封装；对于定点粘贴封装光纤，裸光纤外有套管，套管间留有一定间距，套管间的裸光纤以及套管通过环氧树脂固定在含浸后的玄武岩纤维上。本发明的分布式无滑移光纤应变传感器具有高精度和高灵敏度，可以准确获得长距离大范围的结构应变信息，其制作方法简单容易。

Description

分布式无滑移光纤应变传感器及其制造方法

技术领域

本发明是一种用于结构设施的健康检测和监测的分布式无滑移光纤应变传感器及其制造方法，属于光纤应变传感器制造的技术领域。

背景技术

结构的健康监测系统中，传感器及其测试系统是基础，占有举足轻重的地位，基于应力(应变)的监测，一方面由于相应的传感器在稳定性和耐久性上远远不能满足结构长期监测的需要，另一方面，传统的“点”应变片常因局部应力集中和裂缝出现而失效，并且在大型土木结构上分布布置也不实际，但是结构中的局部损伤如果不是出现在安置的传感器测试范围之内很难被准确地检测，从而无法有效地捕捉到事先不可预知的结构破坏。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的出现，使长距离大范围的结构应变测试，尤其是对于长达数十公里结构物的全结构连续监测成为可能。

发明内容

技术问题：以往的实验结果表明，现有商品光纤存在内部滑移问题，导致测试结果不能准确反映结构实际应变分布，针对现有光纤产品的缺点，本发明提供一种分布式无滑移光纤布里渊散射应变传感器及其制造方法，实现健康监测过程中结构长距离、大范围应变分布的准确监测，以及对大型结构的局部破坏诊断如混凝土结构的裂缝监测和钢筋腐蚀及结构整体性能评价，并解决传感器的安装便宜性，稳定性和耐久性问题。

技术方案：本发明是通过以下的技术方案实现的：

本发明的分布式无滑移光纤应变传感器使用普通单模光纤完成传感测试及数据传输功能，其特征在于：该传感器以UV树脂单模光纤为基材，在其上设有除去UV树脂涂覆层的单模裸光纤部分，在所述裸光纤的外部设有玄武岩纤维封装层，构成光纤应变传感器。

本发明的一种分布式无滑移光纤应变传感器经过如下步骤制作：

a.在桌面上垫一层塑料薄膜，在其上刷一层环氧树脂，将一束玄武岩纤维束两端保持拉直状态平铺在树脂上；

b.用软橡胶刷刷环氧树脂对玄武岩纤维束进行含浸处理，成为玄武岩纤维封装层；

c.取一UV树脂单模光纤，在所需部分除去包覆层成为裸光纤；将其两端拉紧固定，使光纤保持100-300με左右的预拉应变；

d.将裸光纤与经过玄武岩纤维封装层粘结；

e.根据需要将未与玄武岩纤维封装层粘结的部分剪断与其它光纤或接头熔接。

由于使用目的的不同，在封装时采用不同的封装方式可得到两种光纤传感器，即全粘结光纤传感器和内部定点粘结光纤传感器，其中在制造全粘结光纤传感器时，步骤d中所述剥去UV树脂涂覆层的单模光纤的裸光纤长度稍大于监测所需的测试长度；并且将浸润后的玄武岩纤维束紧密包覆所述裸光纤，共同硬化，使裸光纤与玄武岩纤维封装层整体粘结共同工作。而在制造内部定点粘结光纤传感器时，步骤c中所述UV树脂单模光纤上穿有塑料保护套管，套管间距为5-15mm，套管长度为所需的标距减去套管间距；步骤d中的裸光纤与含浸硬化后的玄武岩纤维相粘结。

关于无滑移布里渊散射应变传感器的温度补偿

由于布里渊散乱光的频率的偏移量不仅与光纤所承受的应变呈线性关系也温度改变量呈线性关系，因此有必要对封装后的光纤进行温度补偿，通常可在测试光纤旁附加一条松弛的光纤用作温度补偿，因此，封装时可增设一条温度补偿用光纤封装成整体。

安装布置方式：

玄武岩封装的分布式无滑移布里渊散射光纤传感器小型轻质，能很好地与其它结构材料粘结，确保了传感器能方便地埋入或表面安装于被测结构物而不影响其原有的力学性能。安装时内部全粘结封装光纤可采用全面粘贴和定点粘贴，内部定点封装光纤可采用全面粘贴。考虑到分布式无滑移布里渊散射光纤传感器的特性，沿被测结构物可按以下方式布置：

1)全分布式布置。由于结构的损伤位置和程度无法事先预知，而应变具有局部特性，为了对整个结构进行监测，将分布式无滑移布里渊散射光纤传感器沿被测结构物进行长距离粘贴分布式布置。

2)局部分布式布置。结合理论计算和实际工程经验，事先对结构的应变分布进行预测，仅在应变相对较大的较易出现损伤的位置布置光纤传感器。

特点：

1)关键在于同时封装伴随自由光纤，消除温度影响。

2)对于内部定点封装，使用套管使裸光纤在套管内部处于自由状态，并固定在套管的两端；

3)光纤在被封装之前预拉产生一定的初始应力，有利于测量压缩变形；

4)利用纤维-树脂合成的玄武岩做封装层有助于传感器的耐久性和长期稳定性，以及与各种土木工程材料的良好粘结和共同工作；

5)本封装方法将传感器与普通商用光缆连成整体，体积小，质量轻，可借用现有的比较成熟的光缆安装连接及铺设规范，方便现场安装；

6)与同类商品光纤传感器相比，可以方便地用树脂全面粘贴在结构物的表面，可以埋入结构物的内部，而且更为重要的是内部无滑移保证了测试的准确性。

光纤布里渊散射技术的基本传感原理

1)布里渊频率

脉冲光以一定频率从光纤一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿原路返回到脉冲光的入射端，进入测试仪器的受光部和信号处理单元，可以得到光纤沿线各采样点的散射光功率，按一定间隔变化入射光的频率，实现不同频率下布里渊散射光的功率的测量，可得到光纤沿线各个采样点的散射光谱。理论上，布里渊散射光谱呈洛伦兹型，其峰值功率所对应的频率即为布里渊频率。

当光纤某处的应变或温度发生变化时，光纤中的后向布里渊散乱光谱的频率会发生相应的偏移，频率的偏移量与光纤所承受的应变或温度改变量呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的布里渊散乱光频率偏移即可推算出光纤沿线的应变或温度的变化量。光纤任一点z处发生应变或温度改变时，布里渊散乱光的频率偏移量可由下式计算：

v_B(z)＝v_B(0)+c₁Δε(z)+c₂ΔT(z)

式中：v_B(0)为z点处布里渊光的初始频率偏移

v_B(z)为z点处发生应变和温度变化后布里渊光的频率偏移

c₁、c₂为布里渊光的频率偏移的应变系数和温度系数，由于材质及生产工艺的差别，不同厂家不同型号的单模光纤系数会有所差别。

光纤中发生应变或温度变化的位置Z可由下式确定：

Z＝cT/(2n)

式中：Z发生应变或温度变化的位置距起点的距离

c为真空中的光速

T为发送脉冲光到接收散乱光的时间差

n为光纤的屈折率

2)空间分解能

对于基于布里渊散乱光技术的分布式光纤传感器而言，空间分解能是最重要的性能指标，任一测点所得到的信息，实际上都是包含该点的一段距离L内应变的综合反映。因为L段内所有后向散射光在同一时刻t到达光纤始端，而处于L外的后向散射光在不同于t的另一时刻到达光纤始端。因此，L为理论上可分辨的最小光纤长度，称为空间分解能(Spatial Resolution)，可由下式计算：

L＝vτ/2

式中：L为空间分解能

v为光纤中的光速

τ为发送脉冲光的宽度

从上式可看出，提高空间分解能的关键在于缩短入射脉冲光的脉冲宽，对于BOTDR技术，当脉冲宽小于28ns时，声子不容易被激发，导致测试精度显著下降，目前BOTDR技术的最小空间分解能为1m。近年开发的PPP-BOTDA技术采用两种光源，一种为预泵浦光用于充分激发声子，另一种为探测泵浦光，由于声子被预泵浦光充分激发，探测泵浦光的脉冲宽可以显著降低，从而显著提高空间分解能，目前，PPP-BOTDA技术的空间分解能为0.1m。

无滑移布里渊散射应变传感器温度补偿的实现原理

依照温度补偿光纤布置图，当所测试结构应变变化Δε、温度变化时ΔT时，测试光纤的布里渊频率偏移为：

Δv₁＝c₁Δε+c₂ΔT

温度补偿用光纤布里渊频率偏移为：

Δv₂＝c₂ΔT

结构所发生应变可通过测试和温度补偿光纤的测试测试值进行计算：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_1-{\mathrm{\Δv}}_2}{c_1}$

因此，通过增加伴随松弛光纤，可以起到温度补偿的作用。

有益效果：与现有其他测试技术相比，本发明提出的分布式无滑移布里渊散射技术应变传感器的封装结构有以下优点：

分布式无滑移应变传感器可以实现下列重要测量：1)分布式测量。可以尽可能的涵盖结构较大范围，获得一个由所有应变分量构成的向量，从而提供相对完整的结构信息。2)平均应变测量。平均应变可以避免因裂缝等因素引起的应力/应变集中，从而使测量的应变值能直观地反映构件的曲率。

与现有商品光纤相比，本发明提出的分布式无滑移布里渊散射技术应变传感器的封装结构有以下优点：

1)消除了光纤内部滑移，保证结构大范围的应变分布能够被准确测试，结构受力状态从而被更好地反映。

2)采用玄武岩纤维全粘接封装后的光纤传感器，线膨胀系数接近混凝土，长期测试性能稳定，更适合监测混凝土结构的长期状态。

3)采用玄武岩纤维内部定点封装后的光纤传感器安装更为方便，将一根数百米甚至数公里的光纤传感器变为多个连续的长标距应变传感器。

本发明用于对RC(钢筋混凝土)或其它复合结构等大型结构物进行局部破坏的分布监测，如监测裂缝的发生、位置及程度，监测结构材料的徐变，监测钢筋是否腐蚀，监测混凝土强度是否退化。

本发明用于实现温度变化复杂等环境条件下的高精度测量和大规模结构物的实时和长期监测。

附图说明

图1是UV光纤除去涂覆层后的裸光纤示意图。

图2是实施例1的全粘结封装光纤传感器的结构示意图。

图3是实施例1的温度补偿封装结构的横截面示意图。

图4是实施例2的采用温度补偿后内部定点封装光纤传感器的结构示意图。

图5是实施例2的温度补偿封装结构的横截面示意图。

以上的图中有：裸光纤1，环氧树脂3，UV树脂涂覆的单模光纤4，长标距传感器41，温度补偿用PM单模光纤5，套管6，玄武岩封装层7。

具体实施方式

实施例1全粘接光纤应变传感器

该实施例的应变传感器采用的单模光纤为宽度1.5-6mm，厚度0.5mm-1mm的片材，或者直径1-2mm的线材。在本实施例中，由于玄武岩纤维的价格优势，特别是玄武岩纤维的线膨胀系数接近混凝土，长期测试性能稳定，更适合监测混凝土结构的长期状态，选用玄武岩纤维作为封装材料。传感器结构为玄武岩纤维封装层7包覆裸光纤1，形成对裸光纤1的保护，封装后的光纤传感器分为测试段和连接段。在测试段，采用剥去涂敷层的裸光纤1，裸光纤与玄武岩纤维间用环氧树脂浸润，凝固硬化后形成整体，粘贴到结构上即可进行测试；在连接段，采用UV树脂涂敷的光纤，玄武岩纤维不用树脂含浸，仅对对光纤松散保护，必要时可剪断分离出光纤与接头或其他测试光纤连接。针对温度补偿的要求，同时封装相邻温度补偿用PM光纤，温度补偿用光纤与封装材料间用套管隔离，使温度补偿用光纤保持自由松弛状态。

其制作工艺为：

①在桌面上垫一层塑料薄膜，在薄膜上刷一层环氧树脂，将一束玄武岩纤维束两端挂重物拉直平铺在树脂上，固定玄武岩纤维束两端保持拉直状态；

②在UV树脂包覆的单模光纤4内剥出一段裸光纤1，裸光纤1长度稍大于监测所需的测试长度，将裸光纤1放置在玄武岩纤维束上，两端拉紧固定，使光纤保持100-300με左右的预拉应变。将温度补偿用普通光纤5套上金属或塑料套管6后与裸光纤1相隔2-3mm并排放置在玄武岩纤维束上，套管长度要大于玄武岩纤维束的含浸长度；

③用软橡胶刷顺一个方向刷玄武岩纤维束，以保证纤维束平顺，且环氧树脂3能充分浸透玄武岩纤维束，树脂浸透玄武岩纤维长度需稍大于裸光纤长度，以免裸光纤裸露在硬化后的玄武岩纤维外而极易断裂，但树脂浸透长度要小于温度补偿用普通光纤的套管长度，以保证树脂不会渗透到套管内，温度补偿用光纤可以在套管内自由滑动；

④在上面再铺一层玄武岩纤维束，悬挂重物保持拉直状态，固定玄武岩纤维束两端，在第二层纤维上再刷一层环氧树脂3浸透，软橡胶刷需顺一个方向刷玄武岩纤维束；

⑤上面再铺一层塑料薄膜，用软橡胶刷子在塑料薄膜上将玄武岩纤维束刷平，挤掉环氧树脂内的气泡，尽量使浸润后的玄武岩纤维束密实，并保持宽度厚度均匀一致；

⑥环氧树脂凝固硬化后揭去塑料薄膜，放松玄武岩纤维和光纤，剪去两侧多余树脂；

⑦大长度制作时，可部分段用树脂含浸，含浸长度根据测试需要，部分段不含浸，不含浸段可剪断与其他光纤或接头熔接。

实施例2内部定点光纤传感器

该实施例的光纤应变传感器采用的单模光纤为宽度1.5-6mm，厚度0.5mm-1mm的片材，或者直径1-2mm的线材。封装采用玄武岩纤维，该应变传感器的结构为单模光纤4穿有多个套管6，套管6按一定间距排列好，套管间的裸光纤1以及套管6用环氧树脂粘接3到已含浸好的玄武岩束7上，套管6既对单模光纤4形成保护，又可保证套管6内单模光纤4自由变形，从而能够测试2个粘接点间这一标距长度范围内的平均应变，将分布式光纤变为多个连续的长标距应变传感器41，安装起来也较为方便。套管长度可根据需要确定，必要时可将套管剪断，分离出光纤用于连接。针对温度补偿的要求，同时封装相邻温度补偿用PM光纤，温度补偿用光纤与封装材料间用套管隔离，使温度补偿用光纤保持自由松弛状态。

其制作工艺为：

①在桌面上垫一层塑料薄膜，将一层玄武岩纤维束两端挂重物拉直平铺在塑料薄膜上，固定玄武岩纤维束两端保持拉直状态；

②玄武岩纤维束刷环氧树脂3含浸，含浸长度可根据测试需要确定，等待凝固硬化；

③将UV树脂涂敷的光纤41套上多个塑料或金属保护管6，套管6间距为5-15mm，其长度为所需的标距减去套管间距；

④将带套管6的光纤放置在硬化后的玄武岩纤维封装层7上，套管6之间的光纤段剥去涂敷层成为裸光纤1，两端拉紧固定，使光纤保持300με左右的预拉应变，套管等间距排列好。然后，将温度补偿用普通光纤5套上金属或塑料套管6后与裸光纤相隔2-3mm，并排放置在玄武岩纤维封装层7上；

⑤用少量环氧树脂3将套管间的裸光纤1及套管6与硬化后的玄武岩纤维封装层7粘结，温度补偿用普通光纤5的套管6也用环氧树脂与硬化后的玄武岩纤维封装层7整体粘接在一起；

⑥放松玄武岩纤维封装层7和光纤，剪去两侧多余树脂；

⑦大长度制作时，部分段套管可不与玄武岩纤维粘结，必要时可剪断与与其他光纤或接头熔接。

封装后传感器的性能检验

1)抗滑移性能检验实验

通过长钢板简单的单向拉伸试验对现有商品光纤及封装后的光纤进行了抗滑移性能检验，以裸光纤测试结果为基准来检验各种商品光纤及封装后光纤的抗滑移性能，BOTDA测试技术的空间分解能为10cm，将不同种类光纤不同长度的测试段用环氧树脂粘在钢板上测试钢板所受应变，实验结果表明当裸光纤和封装光纤的粘接长度大于13cm时即可获得正确的测试值，而现有商品光纤由于内部滑移的影响都需要15cm以上的粘接长度才能测得正确的应变值。

2)全粘接光纤线膨胀系数及徐变性能试验

将封装后传感器放进恒温箱进行升温自由膨胀试验来测试全粘接封装传感器的线膨胀系数，试验结果表明封装后传感器线膨胀系数约为8×10^-6，接近混凝土的线膨胀系数(7-10×10^-6)，因此采用玄武岩纤维封装后的传感器监测混凝土结构时，温度变化导致的传感器与混凝土结构的应变差较小，所测得的应变更能反映混凝土结构的机械应变。

为验证封装后光纤的长期性能，进行了徐变试验，根据实验结果可看出，尽管不同时间的测试结果有一定误差，但没有超出测试仪器的误差范围，封装后光纤的应变测试值并未随着时间增长而发生变化，因此经过封装后的光纤应变传感器长期稳定性非常好，适合于对结构进行长期监测。

3)钢梁受弯测试实例

分布式无滑移布里渊散射光纤传感器应用于钢结构健康监测作用体现在以下几个方面：1)测试结构大范围的应变分布，2)发现局部腐蚀或疲劳裂缝等局部损伤，3)测试结构整体性能

如上所述，传统的“点”应变片常因局部应力集中和裂缝出现而失效，而且在大型土木结构上分布布置也不实际。分布式无滑移布里渊散射光纤传感器可以弥补这两方面的不足，一方面应变平均化缓和了裂缝出现后导致的局部应力突变，确保传感器仍能有效工作；另一方面，分布式无滑移布里渊散射光纤传感器可以在整个结构或者结构的一定区域进行分布测量，涵盖相对完整的结构应变分布信息。

通过一根跨度2m的普通无损伤钢梁4点弯(纯弯段0.6m)试验表明，封装后传感器可以准确地监测梁通长范围内的应变分布，而现有商品光纤，由于内部滑移的存在，随着应变增大，测试应变分布比实际应变误差越来越大。

通过一根跨度2m的普通跨中带预设开槽损伤钢梁4点弯(纯弯段0.6m)试验表明，封装后的无滑移布里渊散射光纤传感器能准确反映损伤的位置及程度。

而且，标距0.2m传感器测量的平均应变与与相应位置挠度有很好的线性关系，基于共轭梁理论，通过测试的应变分布，结构的竖向挠度分布也可以计算得到，因此结构的整体变形可以成功被监测。

4)预应力混凝土梁受弯测试实例

分布式无滑移布里渊散射光纤传感器应用于混凝土结构健康监测作用同样体现在以下几个方面：1)测试结构大范围的应变分布，2)局部裂缝的发现、定位和量化，3)测试结构整体性能

封装后的光纤与2种普通商品光纤一起被用于预应力混凝土梁的裂缝监测，一根跨度2m的普通无损伤预应力混凝土梁4点弯试验结果表明，各种光纤均能成功测试到裂缝的出现以及对裂缝的较精确定位，但只有封装后的无滑移布里渊散射光纤传感器能够准确测试裂缝的宽度。

Claims (5)

1.一种分布式无滑移光纤应变传感器，该传感器以UV树脂单模光纤(4)为基材，在其上设有除去UV树脂涂覆层的单模裸光纤(1)部分，在所述裸光纤(1)的外部设有玄武岩纤维封装层(7)，其特征在于：该传感器由多个长标距传感器(41)串接而成，所述长标距传感器(41)是取以UV树脂单模光纤(4)上的裸光纤(1)部分，在所述裸光纤(1)外套上套管(6)，并用环氧树脂(3)粘接在所述玄武岩纤维封装层(7)上，所述裸光纤(1)与所述玄武岩纤维封装层(7)的粘结长度为5mm-15mm。

2.根据权利要求2所述的分布式无滑移光纤应变传感器，其特征在于：所述套管(6)的间距保持为5mm-15mm，套管长度为所需的标距减去套管间距。

3.根据权利要求1或2所述的分布式无滑移光纤应变传感器，其特征在于：针对温度补偿的要求，封装时增设一条温度补偿用单模光纤(5)与所述传感器相隔2-3mm，并排放置，所述温度补偿用单模光纤(5)的外部套有套管(6)，玄武岩纤维封装层(7)包覆在以上结构的外面。

4.一种分布式无滑移光纤应变传感器的制造方法，步骤如下：

a.在桌面上垫一层塑料薄膜，在薄膜上刷一层环氧树脂(3)，将一束玄武岩纤维束两端挂重物拉直平铺在环氧树脂(3)上，固定玄武岩纤维束两端保持拉直状态；

b.在UV树脂包覆的单模光纤(4)内剥出一段裸光纤(1)，裸光纤(1)长度大于监测所需的测试长度，将裸光纤(1)放置在玄武岩纤维束上，两端拉紧固定，使光纤保持100-300με的预拉应变，将温度补偿用普通光纤(5)套上金属或塑料套管(6)后与裸光纤(1)相隔2-3mm并排放置在玄武岩纤维束上，套管长度要大于玄武岩纤维束的含浸长度；

c.用软橡胶刷顺一个方向刷玄武岩纤维束，以保证纤维束平顺，且环氧树脂(3)能充分浸透玄武岩纤维束，树脂浸透玄武岩纤维长度大于裸光纤长度，以免裸光纤裸露在硬化后的玄武岩纤维外而极易断裂，但树脂浸透长度要小于温度补偿用普通光纤的套管长度，以保证树脂不会渗透到套管内，温度补偿用光纤可以在套管(6)内自由滑动；

d.在上面再铺一层玄武岩纤维束，悬挂重物保持拉直状态，固定玄武岩纤维束两端，在第二层纤维束上再刷一层环氧树脂(3)浸透，软橡胶刷需顺一个方向刷玄武岩纤维束；

e.上面再铺一层塑料薄膜，用软橡胶刷子在塑料薄膜上将玄武岩纤维束刷平，挤掉环氧树脂(3)内的气泡，使浸润后的玄武岩纤维束密实，并保持宽度厚度均匀一致；

f.环氧树脂(3)凝固硬化后揭去塑料薄膜，放松玄武岩纤维和光纤，剪去两侧多余树脂。

5.一种分布式无滑移光纤应变传感器的制造方法，步骤如下：

a.在桌面上垫一层塑料薄膜，将一层玄武岩纤维束两端挂重物拉直平铺在塑料薄膜上，固定玄武岩纤维束两端保持拉直状态；

b.玄武岩纤维束刷环氧树脂(3)含浸，含浸长度可根据测试需要确定，等待凝固硬化；

c.将UV树脂涂敷的光纤套上多个塑料或金属套管(6)，套管(6)间距为5-15mm，其长度为所需的标距减去套管间距；

d.将带套管(6)的光纤放置在硬化后的玄武岩纤维封装层(7)上，套管(6)之间的光纤段剥去涂敷层成为裸光纤(1)，两端拉紧固定，使光纤保持300με的预拉应变，套管(6)等间距排列好，然后，将温度补偿用普通光纤(5)套上金属或塑料套管(6)后与裸光纤相隔2-3mm，并排放置在玄武岩纤维封装层(7)上；

e.用少量环氧树脂(3)将套管间的裸光纤(1)及套管(6)与硬化后的玄武岩纤维封装层(7)粘连，温度补偿用普通光纤(5)的套管(6)也用环氧树脂与硬化后的玄武岩纤维封装层(7)整体粘连在一起；

f.放松玄武岩纤维封装层(7)和光纤，剪去两侧多余树脂。

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