CN102607611B - 埋入式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了埋入式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法，所述传感器包括尾纤、金属波纹管、热缩管护套、光纤光栅、光栅支撑架、外层封装钢管、第一支撑套、第二支撑套和堵头，尾纤穿过金属波纹管，金属波纹管的一端套有热缩管护套，穿出热缩管护套的尾纤的一端与光纤光栅的裸纤熔接，光纤光栅的裸纤粘贴在光栅支撑架上，第一支撑套、第二支撑套套在粘贴有光纤光栅的光栅支撑架，光栅支撑架从外层封装钢管的一端插入外层封装钢管中，光栅支撑架与外层封装钢管两端通过粘胶剂固定，外层封装钢管的另一端设有所述堵头。所述制作方法采用双层封装，在封装中确保光栅部分和保护壳结构分离，既能有效的保护光栅，又能有效避免因横向应变产生的误差。

Description

埋入式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法

技术领域

本发明主要涉及各种大型钢筋混凝土结构的温度与应力、应变和变形的监测技术，特别涉及用于监测大中型混凝土桥梁内部应变的埋入式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法。 

背景技术

土木工程结构的施工及使用安全问题的解决依赖于预先埋设各种类型的传感器材。土木工程结构对传感器的主要要求是：在外载的作用下，通过测量与结构有关的各种参数，从强度、刚度、抗裂性及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构本身与其使用要求的符合程度。 

与传统的电子和机械传感器相比较，以光纤布拉格光栅为核心的传感器具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、体积小以及可埋入智能材料等优点。适用于强电磁干扰，辐射、腐蚀环境，方便实现对桥梁，水坝，飞行器，舰船，油井等的实时监测，因此光纤布拉格传感技术的应用越来越广泛。 

光纤传感器既是传感器又是传输媒介，将所有传感系统的硬件集成到一根光纤上，采用灵活多样的调制传感技术，测量信号的种类多样。同时光纤传感器的损耗极低，适合于长距离传输和监控，这在一些大型的土木工程结构中尤其重要。目前最有发展和应用前景的有两类光纤传感器：一类为抗恶劣环境的光线传感器。如需埋入混凝土内部或在高电压环境下等，此时传统传感器无法胜任。另一类为准分布或者分布式光纤传感器，它不仅能测量传感器处的变形或应力等物理量，而且同时可以得知位置，这样一根光纤通路就可以测出结构参数大至的分布状态，进行实时监测。 

光纤光栅传感器在土木工程中的应用领域：1）混凝土的养护中的温度与应力的监测；2）混凝土机构裂缝的自监测和自诊断；3）混凝土结构应力、应变和变形的自监测；4）混凝土结构配合的钢筋（索）应力和变形的自监测。在以上的应用范围中结构物的结构参数测量监测是光纤传感器应用比较广泛的领域。主要利用光纤光栅自身测量信号特点，使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式行高分辨率和大范围测量，得到更加细致的结构参数，预测结构的局部载荷的状态。 

要实现光纤光栅传感器的工程化和实用化，传感器的稳定性和实用性是必须要关注的。光栅是刻写在极细的光纤上，极其脆弱，在土木工程施工中，传感器要经受各种外力作用，若保护不够良好，光纤光栅传感器非常容易受到损伤。因此使用的光纤光栅时应对其进行良好的封装，封装的结构和样式易于现场的安装。本发明的光纤光栅传感器目前已经在多座大中跨径的混凝土箱梁桥上用于应力应变监测，取得了良好效果。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供埋入式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法，既能保证光纤光栅传感器在实际混凝土构件中稳定工作，又降低封装成本。通过本发明的封装设计，可有效避免横向应变的影响，具体技术方案如下。 

埋入式双层封装光纤光栅传感器，包括尾纤、金属波纹管、热缩管护套、光纤光栅、光栅支撑架、外层封装钢管、第一支撑套、第二支撑套和堵头，所述尾纤穿过金属波纹管，金属波纹管的一端套有用于烧融后加强尾纤与外层封装钢管的连接强度的所述热缩管护套，穿出热缩管护套的尾纤的一端与所述光纤光栅的裸纤熔接，光纤光栅的裸纤还紧密地粘贴在光栅支撑架上，所述第一支撑套、第二支撑套套在粘贴有所述光纤光栅的光栅支撑架，光栅支撑架从外层封装钢管的一端插入外层封装钢管中，光栅支撑架与外层封装钢管两端通过粘胶剂固定，外层封装钢管的另一端设有所述堵头。 

作为上述埋入式双层封装光纤光栅传感器的优化技术方案，所述热缩管护套烧融后位于外层封装钢管的一端。 

作为上述埋入式双层封装光纤光栅传感器的优化技术方案，光纤光栅的裸纤通过环氧树脂紧密地粘贴在光栅支撑架上。 

作为上述埋入式双层封装光纤光栅传感器的优化技术方案，光栅支撑架与外层封装钢管两端通过注入环氧树脂固定。 

作为上述埋入式双层封装光纤光栅传感器的优化技术方案，光栅支撑架为一根高强度钢丝。 

作为上述埋入式双层封装光纤光栅传感器的优化技术方案，光纤光栅的光栅段与外层封装钢之间有间隙。 

本发明的一种埋入式双层封装光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤： 

1）  尾纤穿过金属波纹管，金属波纹管一端套上热缩管护套；

2）  截取一段光纤光栅；

3）  将尾纤与光纤光栅的裸纤熔接到一起；

4）  将光纤光栅的裸纤用环氧树脂粘结到光栅支撑架上；

5）  烧融热缩管护套使热缩管护套位于外层封装钢管的端部，加强尾纤与外层封装钢管的连接强度；

6）  将第一支撑套、第二支撑套套在粘贴有光纤光栅的所述光栅支撑架上，使光栅支撑架支撑在钢管内部；

7）  将支撑架插入外层封装钢管中，从钢管两端的区域注入环氧树脂，使光栅支撑架与外层封装钢管两端之间固定，确保光纤光栅的的光栅段不与外层封装钢管接触；

8）  装上堵头即可完成传感器制作。

光纤光栅的测量结果的可靠性特别的依赖被测点的温度的测量准确和横向应变影响的大小。尤其在实际工程应用中，温度和横向应变等对埋入的光纤光栅的影响都是不可忽略的。 

通过简易封装设计，使粘贴有光栅的钢丝两端紧固，中间悬空，从而有效消除了横向应变对测量结果的影响。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果： 

1) 制作方法简易，成本合理。

2) 经过实际工程应用的检验。埋入式的传感器设计易于现场埋设，传感器保护良好，能够抵抗混凝土浇筑过程中对传感器的冲击荷载，表面式传感器易于在混凝土构件表面进行黏贴，并易于在钢构件表面进行焊接。 

3) 该光纤光栅传感器性能稳定，可以有效的进行土木工程的应变进行监测。 

4) 目前已经在多座大中跨径的混凝土箱梁桥及一座大跨径钢箱梁斜拉悬索桥上被用于应力应变监测，取得了良好效果。 

附图说明

图1为实施方式中一种埋入式双层封装光纤光栅传感器的结构示意图。 

图2为实施方式中传感器的应变-布拉格中心波长关系图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。 

如图1，一种埋入式双层封装光纤光栅传感器，包括尾纤1、金属波纹管10、热缩管护套2、光纤光栅5、光栅支撑架4、外层封装钢管6、第一支撑套3、第二支撑套7和堵头8，所述尾纤1穿过金属波纹管10，金属波纹管10的一端套有用于烧融后加强尾纤1与外层封装钢管6的连接强度的所述热缩管护套2，穿出热缩管护套2的尾纤1的一端与所述光纤光栅5的裸纤熔接，光纤光栅5的裸纤还紧密地粘贴在光栅支撑架4上，所述第一支撑套3、   第二支撑套7套在粘贴有所述光纤光栅5的光栅支撑架4，支撑架4从外层封装钢管6的一端插入外层封装钢管6中，光栅支撑架4与外层封装钢管两端通过粘胶剂固定，外层封装钢管6的的另一端设有所述堵头8。所述热缩管护套2烧融后位于外层封装钢管6的一端。光纤光栅5的裸纤通过环氧树脂紧密地粘贴在光栅支撑架4上。光栅支撑架4与外层封装钢管两端通过注入环氧树脂固定。光栅支撑架4为一根高强度钢丝。光纤光栅5的光栅段与外层封装钢6之间有间隙。 

本实施例中，外层封装钢管6为传感器的主要受力构件，它是在一根内径为φ4，外径为φ6的冷拔钢管，长度为120mm。支撑架是一根φ2的高强度钢丝，将光纤光栅紧密的粘贴在这根钢丝上，在光栅段的两端分别做成支架结构，使这根钢丝支撑在钢管内部，具体机构如图1所示。钢丝两端采用环氧树脂粘牢固定。 

本实例中一种埋入式双层封装光纤光栅传感器的制备方法如下： 

1）  尾纤1穿过金属波纹管10，金属波纹管10套上热缩管护套2

2）  截取10cm长的光纤光栅5，使光纤光栅5位于中间位置；

3）  将尾纤1与光纤光栅5的裸纤熔接到一起；

4）  将光纤光栅5的裸纤用环氧树脂粘结到钢丝支撑架4；

5）  烧融热缩管护套2使热缩管护套2位于外层封装钢管6的端部，加强尾纤与外层封装钢管6的连接强度；

6）  将第一支撑套3、第二支撑套7套在粘贴有光纤光栅5的支撑架4上，第一支撑套3、第二支撑套7的具体位置根据尾纤1和光纤光栅5的熔接位置做调整，使熔接头位于护套与外层封装端部之间的区域9；

7）  将支撑架4插入外层封装钢管中，从钢管两端的区域（9、11）注入环氧树脂；

8）  装上堵头8即可完成传感器制作。

本实例中光纤光栅传感器的材料包括光栅、钢管、钢丝、胶粘剂等。其中，为保证埋入式传感器能很好的传递混凝土结构的内部的应变，并满足结构健康监测要求，外壳层封装所采用的钢管的使用性能优于普通钢筋；胶粘剂综合考虑到是否适用于光纤光栅和外壳模板的粘结性能，是否具有较高的抗剪强度和耐久性，及能否有利于封装过程的顺利进行等因素而选择环氧树脂胶。 

本实施方式中，光纤光栅传感器的标定标定采用的方法与钢筋计的标定方法相同。得到相应的应变-布拉格中心波长关系，如图2所示，可以看出传感器的布拉格中心波长变化和所传递的外界应变变化有很好的线性关系。 

应用实例1：某大桥连续钢构混凝土内部应变监测 

采用埋入式双层封装光纤光栅传感器的封装：

1）  根据上述的光纤光栅传感器制作方法制作光纤光栅传感器。

2）  将传感器绑扎在钢筋笼上，金属波纹管顺着钢筋笼引出模板，浇筑混凝土。 

3）  对其进行应变监测。 

应用实例2：某大桥桥面铺装层内部应变监测 

采用埋入式双层封装光纤光栅传感器的封装：

1）  根据上述的光纤光栅传感器制作方法制作光纤光栅传感器。

2）  将传感器固定在箱梁顶板上，沿横桥向将由金属波纹管保护的尾纤引到护栏位置，铺设桥面铺装层。 

3）对桥面铺装进行静载实验，并对实验过程采用光纤光栅传感器进行应变监测。 

Claims (2)

1.埋入式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于包括尾纤、金属波纹管、热缩管护套、光纤光栅、光栅支撑架、外层封装钢管、第一支撑套、第二支撑套和堵头，所述尾纤穿过金属波纹管，金属波纹管的一端套有用于烧融后加强尾纤与外层封装钢管的连接强度的所述热缩管护套，穿出热缩管护套的尾纤的一端与所述光纤光栅的裸纤熔接，光纤光栅的裸纤还紧密地粘贴在光栅支撑架上，所述第一支撑套、第二支撑套套在粘贴有所述光纤光栅的光栅支撑架，光栅支撑架从外层封装钢管的一端插入外层封装钢管中，光栅支撑架与外层封装钢管两端通过粘胶剂固定，外层封装钢管的另一端设有所述堵头；

所述热缩管护套烧融后位于外层封装钢管的一端；光纤光栅的裸纤通过环氧树脂紧密地粘贴在光栅支撑架上；光栅支撑架与外层封装钢管两端通过注入环氧树脂固定；光栅支撑架为一根高强度钢丝；光纤光栅的光栅段与外层封装钢之间有间隙。

2.一种埋入式双层封装光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）尾纤穿过金属波纹管，金属波纹管一端套上热缩管护套；

2）截取一段光纤光栅；

3）将尾纤与光纤光栅的裸纤熔接到一起；

4）将光纤光栅的裸纤用环氧树脂粘结到光栅支撑架上；

5）烧融热缩管护套使热缩管护套位于外层封装钢管的端部，加强尾纤与外层封装钢管的连接强度；

6）将第一支撑套、第二支撑套套在粘贴有光纤光栅的所述光栅支撑架上，使光栅支撑架支撑在钢管内部；

7）将支撑架插入外层封装钢管中，从钢管两端的区域注入环氧树脂，使光栅支撑架与外层封装钢管两端之间固定，确保光纤光栅的的光栅段不与外层封装钢管接触；

8）装上堵头即可完成传感器制作。