CN103335605A

CN103335605A - 高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器及封装方法

Info

Publication number: CN103335605A
Application number: CN2013102848025A
Authority: CN
Inventors: 赵雪峰; 刘庆; 吕兴军; 单水军; 江元浩
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103335605B

Abstract

一种高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器及封装方法，其结构包括：应变监测光纤光栅、通讯段单模抗弯光纤、温度补偿光纤光栅、混凝土材料封装模块、铠装光缆、圆柱外径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块、钢套管-1、钢套管-2、胶管。该传感器将应变监测光纤光栅光纤两端分别在混凝土材料嵌固模块中部的圆柱体上缠绕一段距离，利用光纤与圆柱体的缠绕作用和圆柱体与混凝土材料封装模块的嵌固作用，实现应变监测光纤光栅与封装结构的牢固连接。采用混凝土材料制作该传感器的封装模块，减小封装材料与被测量材料弹性模量不匹配所引入的测量误差，使应变监测更加精确的同时实现钢筋混凝土结构内部温度的测量。

Description

高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器及封装方法

技术领域

本发明属于结构工程安全监测和光纤传感技术领域，涉及到一种高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器及封装方法。

背景技术

光纤光栅是用于长期监测的理想传感元件，它具有高分辨率、高精度、体积小、耐久性好、抗电磁干扰、可进行长距离准分布式实时监测等优点，因而在结构健康监测传感技术中有广阔的应用前景，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，探测其损伤的传感器。目前，已有一些将光纤光栅用于钢筋混凝土结构应变监测传感器设计方案，并且在大型钢筋混凝土结构安全监测中得到应用。

李爱群、周广东等设计一种光纤光栅应变、温度同时测量传感器（CN101539403），它是利用第二不锈钢管封装裸光纤光栅形成光纤光栅应变传感器，利用金属管封装裸光纤光栅形成不受应变影响的光纤光栅温度传感器，并采用环氧树脂将光纤光栅应变传感器和温度传感器并排封装在第一不锈钢管中。当传感器安装于工程结构上时，在结构发生应变和温度变化时，第一不锈钢管产生变形并通过环氧树脂将结构的温度和应变传递给内部的光纤光栅应变传感器和不受应变影响的光纤光栅温度传感器，利用温度传感器对应变传感器的测量值进行补偿，达到对结构应变和温度的同时测量。该发明应用环氧树脂类胶将裸光纤光栅粘贴在封装钢管结构上。环氧树脂胶的寿命目前文献报道一般为15年左右，所以该传感器的长期耐久性受到了环氧树脂胶的寿命限制，很难超过15年。

欧进萍、周智设计一种纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋（CN1484056）。设计封装结构包括纤维增强塑料筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤光栅。具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性等优点。可以根据工程实际需要，切割成任意长度，使用方便，适于产业化生产。该发明应用纤维增强塑料对光纤光栅进行了封装。然而，事实上，纤维增强塑料是由碳纤维或者玻璃纤维与环氧树脂类粘结剂高温模具固化而成，所以该传感器的长期耐久性同样受到环氧树脂胶的寿命的限制。

混凝土埋入式光纤光栅应变传感器近些年来被广泛应用于大型土木工程结构健康监测领域。使用此类传感器以代替传统应变片对大型桥梁、大坝、公路、隧道、高层建筑等混凝土结构关键部位应力状态实施监测。但是，现有的这类用于测量混凝土内部应变的光纤光栅传感器主要存在以下问题，限制了光纤光栅传感器的耐久性与精确度：

（1）使用粘结剂固结光纤光栅时，由于粘结剂本身存在耐久性小于光纤光栅的问题，使得在粘结剂耐久性失效后，传感器中光纤光栅失去与封装结构的固结，从而丧失灵敏特性，使其寿命受到很大影响。

（2）在以往的封装方式中，需对光纤光栅两端或全部用粘结剂进行固结。由于光纤和基体之间存在微小的粘结剂间隙，而粘结剂层与封装结构的弹性模量与光纤光栅材料的弹性模量一般相差较大，致使所测的应变与实际应变不同，测量结果不精确。

为了解决上述存在的问题，本发明提出一种高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装方法用于大型土木工程结构长期的应变监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装方法，该方法封装的传感器具有比常规含有粘结剂光纤光栅封装应变传感器更好的耐久性。该传感器封装结构不包含任何粘结剂，有效消除封装粘结剂耐久性失效带来的传感器失效误差。应用该传感器可以实现对钢筋混凝土结构内部应变的超长期稳定监测。

本发明的技术方案是：

高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器结构包括：应变监测光纤光栅、通讯段单模抗弯光纤、温度补偿光纤光栅、混凝土材料封装模块、铠装光缆、圆柱外径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块、钢套管-1、钢套管-2、胶管。针对钢筋混凝土结构高耐久性应变监测的需要，该传感器结构不含任何将光纤光栅传感元件与封装结构粘贴在一起的粘结剂，如环氧树脂类粘结剂等。

该传感器封装方法将应变监测光纤光栅的通讯单模抗弯光纤两端分别在直径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块中间部位圆柱体缠绕3-5周，利用光纤与圆柱体的缠绕作用和圆柱体与混凝土材料封装模块的嵌固作用实现应变监测光纤光栅与封装结构的牢固连接。这种方法避免了目前通常采用的粘结剂粘贴的封装工艺，从而传感器整体上不受到粘结剂耐久性寿命短的限制，从而该无粘结剂封装方法提高了传感器整体耐久性。该传感器所应用的光纤光栅与通讯段光纤均采用抗弯型单模光纤，这样可以降低光纤在小直径圆柱体多圈缠绕而引起的光功率损耗。该传感器将用于测量钢筋混凝土结构内部的应变。采用混凝土材料制作该传感器的封装模块，而不是采用钢材料、环氧树脂材料等封装材料，这样可以大大降低封装材料与被测量混凝土材料弹性模量不匹配所引入的测量误差。

在传感器封装制作过程中，需要在两个起到嵌固作用的混凝土材料嵌固模块中间的圆柱体之间的一段由通讯段单模抗弯光纤与应变监测光纤光栅构成的光路中保持一定的预张拉应力水平。该传感器采用由外径5mm的钢套管-1、钢套管-2与胶管形成一个密闭管道空间保护两个圆柱体之间预张拉的抗弯单模光纤与应变监测光纤光栅与温度补偿光纤光栅。胶管的存在保证了两个钢套管的纵向刚度不连续，消除其刚度对封装结构的刚度与弹性模量影响。通过传感器内部的另一温度补偿光纤光栅来修正环境温度对应变监测影响，使应变监测更加精确的同时，实现钢筋混凝土结构内部温度的测量。

在实际应用过程中，将该传感器直接固定安装在混凝土构件内部测点处后，进行混凝土浇筑即可。当测点处混凝土受到拉、压作用时，传感器的混凝土材料封装模块将随同测点处混凝土协同变形。混凝土材料封装模块的变形将引起嵌固在其中的两个混凝土材料圆柱体之间距离的变化，并最后引起两圆柱体之间的保持一定预张拉应变水平的光纤光栅的变形。基于该变形传递途径，实现应用光纤光栅对混凝土测点应变的监测。

本发明的效果和益处是，传感器封装结构不含任何常规封装所需要的粘结剂，消除封装粘结剂耐久性失效带来的传感器失效误差，大大提高传感器的耐久性。采用混凝土材料制作该传感器的封装模块，大大降低封装材料与被测量混凝土材料弹性模量不匹配所引入的测量误差，提高传感器的精度。

附图说明

图1是混凝土材料封装模块示意图。

图2是高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装结构示意图。

图3是封装结构平面示意图。

图中：1应变监测光纤光栅；2温度补偿光纤光栅；3混凝土材料封装模块；4铠装光缆；5混凝土材料嵌固模块；6钢套管-1；7钢套管-2；8胶管；9通讯段单模抗弯光纤；

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装方法涉及的敏感封装结构包括：应变监测光纤光栅、通讯段单模抗弯光纤、温度补偿光纤光栅、混凝土材料封装模块、铠装光缆、圆柱外径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块、钢套管-1、钢套管-2、胶管。

首先，利用模具制作混凝土材料封装模块，如图1所示。该模块内部具有哑铃状凹槽结构。传感器内部各构件均需要安装固定在哑铃状凹槽内，然后分批向凹槽内浇筑水泥砂浆实现传感器的最后封装。之后，应用胶管将钢套管-1与钢套管-2连接在一起，放置固定于哑铃状凹槽中间位置，如图2所示。将一段含有应变监测光纤光栅的光纤穿入钢套管-1，钢套管-2与胶管中，两端通讯段单模抗弯光纤分别横向缠绕在混凝土材料嵌固模块中间的圆柱体上，各缠绕3-5圈。光纤由两端的铠装光缆引出。同时将温度补偿光纤光栅也放置在套管内部，一段自由放置在套管内部，另一端由铠装光缆引出。然后应用水泥砂浆将图2，图3所示，左侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆养护凝固后，对右侧圆柱体进行预张拉，将预张拉应变恒定保持在2000-3000με水平。然后，应用水泥砂浆将右侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆掩护凝固后，释放外加预应力。此时两个缠绕光纤的圆柱体间距长度内的光纤皆处在相同的预张拉应力水平内。最后应用水泥砂浆填充套管所在部位的凹糟与圆柱体外侧凹槽，完成传感器的最后封装。在整个封装过程中，保证钢套管与胶管内不进入水泥砂浆。

该封装传感器的传感器标距即为两个缠绕光纤圆柱体的间距，根据实际封装情况标距为10cm-12cm中间的某个固定值。该传感器可以测量拉、压应变。压应变最大量程为预张拉应变水平。拉应变量程为预张拉应变到光纤极限抗拉应变（约6000με）之间的差值水平。如上所示，高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器结构不含常规封装传感器所应用的诸如环氧树脂等种类的粘结剂，消除了粘结剂耐久性失效的影响，大大提高了传感器的耐久性。

Claims

1.一种高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器，其特征在于，该传感器包括应变监测光纤光栅、通讯段单模抗弯光纤、温度补偿光纤光栅、混凝土材料封装模块、铠装光缆、圆柱外径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块、钢套管-1、钢套管-2和胶管；该圆柱外径15mm-20mm的混凝土材料封装模块内部具有哑铃状凹槽结构，传感器内部各构件均需要安装固定在哑铃状凹槽内；胶管将钢套管-1与钢套管-2连接在一起，固定于哑铃状凹槽中间位置，胶管的存在保证了两个钢套管的纵向刚度不连续，消除若采用一整根钢管保护造成的对封装结构的刚度与弹性模量影响；

应变监测光纤光栅的通讯单模抗弯光纤两端分别在直径15mm-20mm的混凝土材料嵌固模块中间部位圆柱体缠绕3-5周，利用光纤与圆柱体的缠绕作用和圆柱体与混凝土材料封装模块的嵌固作用实现应变监测光纤光栅与封装结构的牢固连接。光纤由两端的铠装光缆引出，温度补偿光纤光栅也放置在套管内部，一段自由放置在套管内部，另一端由铠装光缆引出。

2.根据权利要求1所述的高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器，其特征在于，该封装传感器的传感器标距即为两个缠绕光纤圆柱体的间距。

3.根据权利要求2所述的高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器，其特征在于，该封装传感器的传感器标距为10cm-12cm中间的某个固定值。

4.根据权利要求1、2或3所述的高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器，其特征在于，该封装该传感器采用外径5mm的钢套管-1和钢套管-2。

5.权利要求1、2或3所述的高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装方法，其特征在于，首先，利用模具制作混凝土材料封装模块，该模块内部具有哑铃状凹槽结构；传感器内部各构件均需要安装固定在哑铃状凹槽内，然后分批向凹槽内浇筑水泥砂浆实现传感器的最后封装；之后，应用胶管将钢套管-1与钢套管-2连接在一起，放置固定于哑铃状凹槽中间位置；将含有应变监测光纤光栅的光纤穿入钢套管-1、钢套管-2与胶管中，两端通讯段单模抗弯光纤分别横向缠绕在混凝土材料嵌固模块中间的圆柱体上，各缠绕3-5圈；光纤由两端的铠装光缆引出。同时将温度补偿光纤光栅也放置在套管内部，一段自由放置在套管内部，另一端由铠装光缆引出。然后应用水泥砂浆将左侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆养护凝固后，对右侧圆柱体进行预张拉，将预张拉应变恒定保持在2000-3000με水平；然后，应用水泥砂浆将右侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆掩护凝固后，释放外加预应力；此时两个缠绕光纤的圆柱体间距长度内的光纤皆处在相同的预张拉应力水平内，最后应用水泥砂浆填充套管所在部位的凹糟与圆柱体外侧凹槽，完成传感器的最后封装；在整个封装过程中，保证钢套管与胶管内不进入水泥砂浆。

6.权利要求4所述的高耐久性无粘结剂封装光纤光栅应变传感器封装方法，其特征在于，

首先，利用模具制作混凝土材料封装模块，该模块内部具有哑铃状凹槽结构；传感器内部各构件均需要安装固定在哑铃状凹槽内，然后分批向凹槽内浇筑水泥砂浆实现传感器的最后封装；之后，应用胶管将钢套管-1与钢套管-2连接在一起，放置固定于哑铃状凹槽中间位置；将含有应变监测光纤光栅的光纤穿入钢套管-1、钢套管-2与胶管中，两端通讯段单模抗弯光纤分别横向缠绕在混凝土材料嵌固模块中间的圆柱体上，各缠绕3-5圈；光纤由两端的铠装光缆引出。同时将温度补偿光纤光栅也放置在套管内部，一段自由放置在套管内部，另一端由铠装光缆引出。然后应用水泥砂浆将左侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆养护凝固后，对右侧圆柱体进行预张拉，将预张拉应变恒定保持在2000-3000με水平；然后，应用水泥砂浆将右侧圆柱体所在凹槽浇筑填充，待砂浆掩护凝固后，释放外加预应力；此时两个缠绕光纤的圆柱体间距长度内的光纤皆处在相同的预张拉应力水平内，最后应用水泥砂浆填充套管所在部位的凹糟与圆柱体外侧凹槽，完成传感器的最后封装；在整个封装过程中，保证钢套管与胶管内不进入水泥砂浆。