CN102168951A - 可拆卸式刚性转柔性光纤传感器及其布设方法 - Google Patents
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Abstract
一种可拆卸式刚性转柔性光纤传感器及其布设方法，属于结构安全监测技术领域。该光纤传感器直接采用裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤作为变形敏感元件，在给定标距下，将上述敏感元件与刚性/柔性转换构件和可拆卸式组合支座固定。传感器布设时，调节刚性/柔性转换构件使传感器处于刚性连接状态。传感器布设后，调节刚性/柔性转换构件使传感器处于无刚性连接的自由状态，消除刚性/柔性转换构件刚度对结构局部应力场的影响，实现裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件柔性测试。本发明采用可拆卸式组合支座进行传感器安装，实现了传感器重复使用。本发明装置具有结构简单、易于产业化，可广泛用于水利、交通、建筑等工程结构的变形测试之中。
Description
技术领域
本发明属于结构安全监测技术领域，涉及一种既能保证光纤传感器完好布设又能准确测试的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器及其布设方法。
背景技术
变形是工程结构工作性态的直接表征形式，采取可靠措施监测工程结构变形对评价工程结构的健康状态、确保工程结构安全运营具有重要意义。目前工程结构变形监测技术主要包括常规大地测量技术(水准仪、经纬仪、全站仪等)、全球定位系统变形测试技术(GPS)、卫星遥感测试技术(InSAR)、摄影测试技术、传统电/磁式传感测试技术(电阻应变片、振弦应变计等)以及光纤传感监测技术等。其中，电/磁式和光纤传感技术具有成本低、传感器安装方便、操作简单、测试工作量与劳动强度小及易于实现自动化测试等优点，在工程结构应变、裂缝等变形测试中得到了广泛应用，特别是近年来迅速发展起来的光纤传感技术因具有敏感元件体积小、质量轻、对结构应力场影响小、抗电磁干扰、测试稳定/灵敏度高、耐久性好、便于实现分布式与实时在线测试以及集传感和数据传输于一体等独特优势，已成为重大工程结构最为理想的安全监测手段。然而，裸光纤特别纤细，质地脆弱，抗剪能力差，直接将其作为传感器用于实际工程结构变形监测中存在布设困难、成活率低等致命缺点，无法胜任实际工程结构粗放式施工及恶劣的服役环境。因此，对裸光纤进行封装保护是实现光纤传感技术在实际工程结构变形及安全监测领域推广应用的一个必要环节。
目前工程实践中采用毛细钢管、工字型钢柱、钢/铜片、石英板、改性硅橡胶及纤维增强树脂(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)等材料对裸光纤进行封装，研制开发出部分工程化光纤传感器，对光纤敏感元件进行了有效的保护，并大大提高传感器布设效率和成活率。遗憾的是，封装材料增大了光纤敏感元件的刚度，而直接布设容易破坏局部应力场，导致变形不协调、传感器容易损坏、不能拆卸等缺点，从而降低了光纤敏感元件的测试灵敏度和精度，进而影响工程结构变形测试的可靠性和长期稳定性。因此，新型的光纤传感器布设工艺，提高测试可靠性已成为工程结构变形测试领域的重要课题。
发明内容
本发明提供了一种适于光纤传感器可拆卸、测试精确可靠的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器及其布设方法。
本发明直接采用裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤作为变形敏感元件，在给定标距下，将上述敏感元件与刚性/柔性转换构件和可拆卸式组合支座固定，构建适于工程结构变形测试需求的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器。传感器安装布设时，调节刚性/柔性转换构件使传感器处于刚性连接状态，实现裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件安装布设过程中的刚性保护，从而提高裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件的布设效率和成活率。传感器布设后，调节刚性/柔性转换构件使传感器处于无刚性连接的自由状态，消除刚性/柔性转换构件刚度对结构局部应力场的影响，从而实现裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件柔性测试目的，确保工程结构变形测试结果准确性和可靠性，回避了变形类传感器由于变形协调问题导致应变传递的误差修正工作。传感器采用可拆卸式组合支座布设于待测结构之中，在测试工作结束后，调节刚性/柔性转换构件使传感器处于刚性工作状态，拆卸组合支座，实现变形传感器的回收及重复使用。
本发明的技术方案如下：
可拆卸式刚性转柔性光纤传感器包括内部的裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件、外部的刚性/柔性转换构件及端部的可拆卸式组合支座。外部的刚性/柔性转换构件由两根嵌套式刚性管和刚性/柔性转换螺母组成，其中在一个刚性管上刻有限位槽，用于指示刚性/柔性转换螺母调节移动，实现两根嵌套式刚性管的刚性与柔性连接转换；端部的可拆卸式组合支座由粘结式金属传力锚头及传感器底座组成，粘结式金属传力锚头与传感器底座之间采用螺母进行连接。其中所述的嵌套式刚性管为不锈钢管或塑料硬管。
上述的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器的布设方法是：
(1)采用螺栓或环氧树脂将端部的传感器底座安装于待测结构中；
(2)调节刚性/柔性转换螺母的位置，使外部的嵌套式刚性管连接在一起；
(3)采用螺栓将端部的粘结式金属传力锚头与传感器底座连接在一起；
(4)传感器布设后，调节刚性/柔性转换螺母至嵌套式刚性管的限位槽内；
(5)在测试工作结束后，调节刚性/柔性转换螺母使嵌套式刚性管处于刚性连接状态，然后拆卸端部的粘结式金属传力锚头与传感器底座之间的连接螺栓，回收传感器。
本发明的有益效果是本发明直接采用裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤作为变形(应变或裂纹)敏感元件，具有自身截面小、刚度低及对结构局部应力场影响小的显著优点，充分发挥了光纤敏感元件的变形感知特性。本发明实现了裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件安装布设与变形测试过程中的刚性/柔性转换，确保裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件在刚性保护下进行安装布设，大大提高了布设效率及成活率；同时在变形测试时通过调节传感器工作状态，有效地消除刚性/柔性转换构件刚度对结构局部应力场的影响，实现裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件的柔性测试功能，从而提高了工程结构变形测试的准确性及可靠性，回避了变形类传感器由于变形协调问题导致应变传递的误差修正工作。此外，本发明采用可拆卸式组合支座进行传感器安装，实现了传感器回收及重复使用，降低了工程结构变形测试成本。本发明实施装置具有结构简单、易于产业化生产等优点，可广泛用于水利、交通、建筑等工程结构的变形测试之中。
附图说明
图1是本发明的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器结构示意图。
图2是本发明的可拆卸式刚性转柔性光纤传感器剖面图。
图中：1裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件；2第一嵌套式刚性管；3第二嵌套式刚性管；4刚性/柔性转换螺母；5限位槽；6粘结式金属传力锚头；7传感器底座；8跳线头；9环氧树脂；10螺栓。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
可拆卸式刚性转柔性光纤传感器结构构成如图1和图2所示，该光纤传感器包括：1裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件、2第一嵌套式刚性管、3第二嵌套式刚性管、4刚性/柔性转换螺母、5限位槽、6粘结式金属传力锚头、7传感器底座、8跳线头、9环氧树脂以及10螺栓。该传感器各部分之间的连接方法为：首先采用环氧树脂将两个粘结式金属传力锚头分别与第一、第二嵌套式刚性管连接；然后，将刚性/柔性转换螺母放入第二嵌套式刚性管上，并依据限位槽标识，调节刚性/柔性转换螺母使第一、第二嵌套式刚性管连接，形成刚性/柔性转换构件；之后，将裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件置入上述制作的刚性/柔性转换构件中，并采用环氧树脂将裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件与粘结式金属传力锚头连接；最后，将传感器测试跳线头与裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件熔接在一起。
可拆卸式刚性转柔性光纤传感器的具体布设方法是：
首先，在待测结构上安装传感器底座，底座与待测结构之间可以采用环氧树脂或螺栓进行连接；然后，根据限位槽标识，向第一嵌套式刚性管方向缓慢调节刚性/柔性转换螺母的位置，对裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件施加一定的预张力，使其处于张紧状态；之后，采用螺栓将传感器端部的粘结式金属传力锚头与传感器底座连接，实现传感器的刚性布设。
传感器布设后，调节刚性/柔性转换螺母至限位槽内，使第一、第二嵌套式刚性管分开，此时裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件处于无刚性保护的柔性状态，然后将跳线头与光纤传感解调仪器连接，测试结构变形。
在测试工作结束后，依据限位槽标识，向第一嵌套式刚性管方向缓慢调节刚性/柔性转换螺母的位置，使第一、第二嵌套式刚性管连接，对裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件进行刚性保护，然后拆除粘结式金属传力锚头与传感器底座之间的连接螺母，回收变形传感器。
Claims (2)
1.一种可拆卸式刚性转柔性光纤传感器，其特征在于：可拆卸式刚性转柔性光纤传感器包括内部的裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件、外部的刚性/柔性转换构件及端部的可拆卸式组合支座；外部的刚性/柔性转换构件由两根嵌套式刚性管和刚性/柔性转换螺母组成，其中在一个刚性管上刻有限位槽，用于指示刚性/柔性转换螺母调节移动，实现两根嵌套式刚性管的刚性与柔性连接转换；端部的可拆卸式组合支座由粘结式金属传力锚头及传感器底座组成，粘结式金属传力锚头与传感器底座之间采用螺母进行连接。
2.权利要求1所述可拆卸式刚性转柔性光纤传感器的布设方法，其特征在于如下步骤，
(1)采用螺栓或环氧树脂将端部的传感器底座安装于待测结构中；
(2)调节刚性/柔性转换螺母的位置，使外部的嵌套式刚性管连接在一起；
(3)采用螺栓将端部的粘结式金属传力锚头与传感器底座连接在一起；
(4)传感器布设后，调节刚性/柔性转换螺母至嵌套式刚性管的限位槽内；
(5)在测试工作结束后，调节刚性/柔性转换螺母使嵌套式刚性管处于刚性连接状态，然后拆卸端部的粘结式金属传力锚头与传感器底座之间的连接螺栓，回收传感器。
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