CN102192712A - 一种碳纤维封装光纤光栅应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维封装的光纤光栅应变传感器，其包括中间交错对称开槽结构的弹性梁、光纤光栅、碳纤维编织布、保护管、安装杆I、安装杆II、铠装光缆、光纤松套管等组成。利用碳纤维编织布将光纤光栅两端的光纤尾纤固定在弹性梁上，并套上保护管，将安装杆I和安装杆II分别通过螺纹固定在弹性梁的两端，并用铠装光缆和光纤松套管保护光纤尾纤。将安装杆I和安装杆II分别固定在待测物体上时，待测物体的形变使安装杆I和安装杆II产生相对位移，通过力的传递，进而在碳纤维编织布的带动下，光纤光栅受到拉伸或者压缩，从而引起光纤光栅的反射波长的移动，通过检测光纤光栅的反射波长的移动量，即可计算得到待测物体应变信息。该传感器具有灵敏度高、测量精度高、长期可靠性好、抗电磁干扰、抗雷击、抗腐蚀、可组网、可重复使用等诸多优点。

Description

一种碳纤维封装光纤光栅应变传感器及其制备方法

技术领域：

本发明涉及土木工程领域和光纤传感技术领域，具体地说是一种利用碳纤维无胶封装技术封装的、中间交错对称开槽弹性梁结构的光纤光栅应变传感器及其制备方法。

背景技术：

应变是表征工程结构安全的重要指标，人们通常通过检测结构的应变来评估一项工程结构的健康状况。结构体受外界作用产生的应变过大，会使结构产生裂纹等损伤，进一步发展会导致结构的破坏，甚至威胁工程安全。因此，研制各种应变传感器，对工程结构的应变进行长期、实时、动态的监测具有非常重要的意义。

近十几年来，随着光纤光栅制作技术的日益成熟，随着光纤光栅解调技术的日益完善，更重要的是光纤光栅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗雷击、波长直接绝对编码、不受光功率波动影响、长期可靠性和稳定性好、具有波分复用能力以及能在易燃易爆环境中应用等诸多优点，光纤光栅应变传感技术的应用研究受到了科研工作者和工程技术人员的极大关注，并已形成产业化，现已经成功研制出了多种类型的光纤光栅应变传感器。

然而，遗憾的是目前市场上的多数光纤光栅应变传感器是采用环氧胶粘接工艺来封装完成的。由于环氧胶是高分子有机化合物，易于老化分解，零点漂移现象较为严重，其长期可靠性和稳定性得不到有效保证。现有技术对光纤光栅进行无胶封装主要采用光纤金属化封装方式。中国专利(专利号ZL200620172825.2)“金属化光纤光栅及光纤光栅应变传感器”发布了一种利用化学镀方式将光纤光栅及两端一定距离的光纤表面进行金属化，然后，再利用锡焊方式在金属化光纤光栅的两端分别焊接一个镍管，最后利用激光焊接方式将两个镍管分别焊接在一种菱形结构基体上，从而，完成光纤光栅的无胶封装。但是，该方案需要光纤金属化并焊接镍管等工序，工艺较为复杂，并且成本较高。此外，受镍管内径的限制，现有加装镍管后的光纤光栅多为单端，不利于组网，无法充分发挥出光纤光栅波分复用的技术优势。

发明内容：

本发明为克服上述现有光纤光栅封装技术方案的不足，提供一种新颖的中间交错对称弹性梁结构的、碳纤维无胶封装技术封装的、长期可靠性高、易于复用组网的光纤光栅应变传感器。

本发明的目的是这样实现的：一种中间交错对称开槽弹性梁结构的光纤光栅应变传感器，它包括安装杆I、保护管、弹性梁、安装杆II、铠装光缆、光纤松套保护管、碳纤维编织布、光纤光栅、光纤光栅尾纤等组成。其中，弹性梁是利用线切割、电火花等机械加工技术加工而成的一种中间交错对称开槽的弹性梁结构，包括螺纹装配杆I、碳纤维缠绕杆I和交错对称开槽的结构体、碳纤维缠绕杆II、螺纹装配杆II等五部分组成。通过调整弹性体两端装配螺纹杆I与碳纤维缠绕杆I、装配螺纹杆II与碳纤维缠绕杆II的相对位置，可以制作出“增敏型”和“减敏型”两种应变测量结构形式，分别如图1和图2所示。以增敏型结构为例，具体操作步骤如下：1)根据弹性梁两端碳纤维缠绕杆I和碳纤维缠绕杆II的相对位置，将光纤光栅两端尾纤的相应位置光纤涂敷层用光纤剥纤钳或者光纤热剥钳去除；2)用表面喷砂等方式将弹性梁两端的碳纤维缠绕杆I和碳纤维缠绕杆II的表面进行粗化处理；3)在弹性梁两端的碳纤维缠绕杆I和碳纤维缠绕杆II上分别紧紧缠绕2～3圈合适尺寸的碳纤维编织布；4)将光纤光栅放置在弹性梁的中心位置，并将已经去除光纤涂敷层的光纤裸纤部分分别放置在碳纤维缠绕杆I和碳纤维缠绕杆II上，并拉直；5)将光纤夹在两层碳纤维编织布中间，再继续紧紧缠绕2～3圈；6)用耐高温碳带紧紧在碳纤维编织布上缠绕一层，并将碳带的端头用耐高温纸胶带固定好；7)将处理好的带光纤光栅的弹性梁放入干燥箱中，将干燥箱工作温度设定为80℃，固化2个小时，然后，再将干燥箱工作温度升至120℃，后固化2个小时；8)将保护管套在弹性梁上，并分别通过弹性梁两端的装配螺纹将安装杆I和安装杆II装配到弹性体上，需要在装配螺纹上加粘接剂；9)光纤光栅尾纤用铠装光缆保护，并分别做好与安装杆I和安装杆II之间的密封措施。

作为对本发明的改进，所述弹性梁的材质可以为不锈钢、青铜等弹性材料的一种。

作为对本发明的改进，通过调整弹性梁不同部分的长度、材料可以起到温度补偿的效果。

作为对本发明的改进，通过改变弹性梁的结构形式可以起到应变测量的“增敏”或者“减敏”效果。

本发明的基本工作原理是通过将光纤光栅两端尾纤牢靠地夹在碳纤维编织布中，当弹性梁在安装杆I和安装杆II的带动下进行拉伸或者压缩时，光纤光栅在碳纤维编织布的带动下收到拉伸或者压缩，从而引起光纤光栅反射波长的移动，通过检测光纤光栅反射波长的移动量，进而计算得到待测体应变的信息。

本发明的优点是：

1.通过调整装配螺纹杆I与碳纤维缠绕杆I、装配螺纹杆II与碳纤维缠绕杆II的相对位置，可以制作出“增敏型”和“减敏型”两种应变传感器结构；

2.根据待测体热膨胀系数的大小，通过对弹性梁、安装杆I和安装杆II的材料热膨胀系数的优化，可以消除或者减小光纤光栅的温度、应变交叉敏感效应的影响；

3.利用碳纤维编织布来实现光纤光栅的无胶封装，由于碳纤维固化后，硬度高，长期稳定性好，所以，基于碳纤维无胶封装技术封装的光纤光栅应变传感器长期可靠性高；

4.应变传感器双端出尾纤，可以充分发挥光纤光栅的组网能力；

5.通过设计合理的安装方式，可以重复使用。

附图说明：

图1为本发明的一种增敏弹性梁结构示意图；

图2为本发明的一种减敏弹性梁结构示意图；

图3为本发明的一种组装结构示意图；

图中，1-螺纹装配杆I；2-碳纤维缠绕杆I；3-交错对称开槽结构体；4-碳纤维缠绕杆II；5-螺纹装配杆I；6-安装杆I；7-保护管；8-弹性梁；9-安装杆II；10-铠装光缆；11-光纤松套管；12-碳纤维编织布；13-光纤光栅；14-光纤尾纤。

具体实施方式：

下面结合附图1和图3对本发明具体实施作详细说明：

本发明所述的光纤光栅应变传感器包括安装杆I 6、保护管7、弹性梁8、安装杆II 9、铠装光缆10、松套管11、碳纤维编织布12、光纤光栅13、光纤尾纤14。所述的弹性梁8由螺纹装配杆I 1、碳纤维缠绕杆I 2和交错对称开槽的结构体3、碳纤维缠绕杆II 4、螺纹装配杆II 5组成。

具体实施过程如下：

准备工作：

1)根据所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II 4的相对位置，将所述的光纤光栅13两端的光纤尾纤14的光纤涂敷层利用现有技术(例如：光纤剥纤钳、光纤热拨钳)去除；

2)将所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II 4的表面利用现有技术做粗化处理(例如：喷砂)，用以增加摩擦力；

3)将所述的碳纤维编织布12的尺寸根据所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II4的长度处理好。

封装：

1)将处理好的所述的碳纤维编织布12分别在所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II 4的表面上紧紧缠绕2～3圈；

2)将所述的光纤光栅13置于所述的弹性梁8的中间位置，并将所述的光纤尾纤14的已经去除光纤涂敷层的部分分别放置在已经缠绕有所述的碳纤维编织布12的所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II 4上，并拉直；

3)将所述的光纤尾纤14的已经去除光纤涂敷层的部分夹在两层所述的碳纤维编织布12中间，再继续缠绕2～3圈；

4)用耐高温碳带紧紧在碳纤维编织布上缠绕一层，并将碳带的端头用耐高温纸胶带固定好；

5)将处理好的带所述的光纤光栅13的所述弹性梁8放置到工作温度为80℃的干燥箱中，固化2个小时，然后，再将干燥箱工作温度升至120℃，后固化2个小时，最后，自然冷却到室温。

后续处理：

1)去除缠绕在所述的碳纤维编织布12上的耐高温胶带和耐高温碳带；

2)将所述的保护管7套在所述的弹性梁8的中间位置，分别将所述的安装杆I 6和安装杆II 9通过螺纹安装在所述的弹性梁8两端所述的螺纹装配杆I 1和螺纹装配杆II 5上，需要在螺纹上加粘接剂固定；

3)所述的光纤尾纤14用所述的铠装光缆10和光纤松套管11保护，并分别做好与所述的安装杆I 6和安装杆II 9之间的固定、密封措施。

当将本发明所述光纤光栅应变传感器的两个所述的安装杆I 6和安装杆II 9通过现有技术固定在待测物体上时，待测物体的形变带动两个所述的安装杆I 6和安装杆II 9产生相对位移，同样，两个所述的碳纤维缠绕杆I 2和碳纤维缠绕杆II4也会产生相对位移，进而，在所述的碳纤维编织布12的带动下，所述的光纤光栅13受到拉伸或者压缩，从而引起所述的光纤光栅13的反射波长的移动，通过检测所述的光纤光栅13的中心反射波长的移动量，即可计算得到待测物体应力的变化(应变)信息。

Claims (3)

1.一种碳纤维封装的光纤光栅应变传感器，其包括安装杆I(6)、保护管(7)、弹性梁(8)、安装杆II(9)、铠装光缆(10)、光纤松套管(11)、碳纤维编织布(12)、光纤光栅(13)、光纤尾纤(14)。其特征在于：

所述弹性梁(8)由螺纹装配杆I(1)、碳纤维缠绕杆I(2)和交错对称开槽的结构体(3)、碳纤维缠绕杆II(4)、螺纹装配杆II(5)等五部分组成；

所述光纤光栅(13)两端的所述光纤尾纤(14)分别通过所述碳纤维编织布(12)固定在所述弹性梁(8)两端的所述碳纤维缠绕杆I(2)和所述碳纤维缠绕杆II(4)上。所述碳纤维缠绕杆I(2)和所述碳纤维缠绕杆II(4)的相对位移转换为所述光纤光栅(13)的应变量，进而导致所述光纤光栅(13)的中心反射波长的变化；

所述保护管(7)套到所述弹性梁(8)的中间部分，而所述安装杆I(6)和所述安装杆II(9)分别通过螺纹紧固的方式固定在所述弹性梁(8)两端的所述螺纹装配杆I(1)和所述螺纹装配杆II(5)上，并与所述保护管(7)为间隙配合；

所述光纤尾纤(14)用所述铠装光缆(10)和所述光纤松套管(11)保护，并分别与所述安装杆I(6)和所述安装杆II(9)进行密封性连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维封装的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

所述弹性梁(8)的材料可以为不锈钢、青铜材料的一种；

所述弹性梁(8)通过调整所述螺纹装配杆I(1)与所述碳纤维缠绕杆I(2)、所述碳纤维缠绕杆II(4)与所述螺纹装配杆II(5)的相对位置，可以实现应变测量的“增敏”和“减敏”设计，通过调整所述螺纹装配杆I(1)和所述螺纹装配杆II(5)的长度可以改变应变灵敏系数；

3.根据权利要求1所述的碳纤维封装的光纤光栅应变传感器，其特征在于：

根据待测体热膨胀系数的大小，通过对所述弹性梁(8)、所述安装杆I(6)和所述安装杆II(9)的材料热膨胀系数的优化，可以消除或者减小所述光纤光栅(13)的温度、应变交叉敏感效应的影响。

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