CN103743353B - 表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器，由裸光纤及封装材料构成，特征是裸光纤的尾纤部分外部设有套管；套管装入铠装电缆；铠装电缆外部设有钢套管；在钢套管两端分别设置有端部扩大头；在钢套管的表面焊接有若干钢钉。本发明传感器的强度可满足道路工程服役周期长，服役环境恶劣等条件，使传感器与路面达到最佳的协同变形效果，从而减少由传感器和路面的模量差异造成的测量误差。表面焊接钢钉及两端设置扩大头的构造形式的封装钢套管，使传感器在能适应路面恶劣使用条件的基础上，根据沥青路面材料类型，可以调节传感器表面钢钉的尺寸及间距，使传感器和沥青混凝土之间达到最佳的协同变形效果。

Description

表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路智能监测技术领域，特别是涉及一种表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器，本发明还涉及这种光纤光栅应变传感器的制备方法。

背景技术

光纤光栅传感器因其具有结构简单、可靠性好、抗腐蚀，抗电磁干扰能力强、复用能力强、稳定性好、高精度等优点，克服了传统传感器不能适应路面服役周期长，服役环境恶劣等缺点，已经成为工程应用的热点。但是应用光纤光栅传感器监测路面结构内部应变，以评价路面结构性能是道路工程的难点。这是由于光纤光栅传感器和路面材料的模量之间的差异，造成传感器与路面的协同变形能力较差，导致光纤光栅传感器采集的信息与路面真实信息存在较大差异，不能直接用于评价该点的受力状态。因此，研究光纤光栅传感器与路面材料间的协同变形是解决光纤光栅传感器在路面应用的前提和基础。

发明内容

为了克服现有的光纤光栅传感器不能与沥青混凝土协同变形的问题，本发明提供一种与沥青混凝土协同变形能力良好的光纤光栅传感器，并且其构造可以根据路面所用沥青混凝土材料类型进行调节。

本发明的另一目的在于提供上述表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器，由裸光纤及封装材料构成，其特征在于，所述裸光纤的尾纤部分外部设有套管；该套管装入铠装电缆；该铠装电缆外部设有钢套管；在该钢套管两端分别设置有端部扩大头；在该钢套管的表面焊接有若干钢钉。

以上设计的优化方案有：

在所述套管与所述钢套管之间，设有粘合剂层。

建议该粘合剂层采用环氧树脂。

所述的钢套管是采用45号钢，做成圆柱型套管。

所述的套管采用白色塑料套管。

所述钢套管、钢钉间距、钢钉长度与沥青混合料类型之间的关系，按照下表的限 定：

沥青混合料类型	钢钉间距(mm)	钢钉长度(mm)
			AC-10	≥14	5
AC-13	≥17	10
			AC-16	≥20	10
AC-20	≥27	15
			AC-25	≥32	20
SMA-10	≥14	5
			SMA-13	≥17	5
SMA-16	≥20	10
			SMA-20	≥27	15
OGFC-10	≥14	5
			OGFC-13	≥17	5

传感器钢套管表面的钢钉尺寸及布置应根据沥青路面材料类型确定。针对常用的热拌沥青混合料类型，传感器钢套管的钢钉尺寸及布置如图8的图表所示。

完成本申请第二个发明任务的方案是，表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

A、裸光纤的初步保护性封装：将光纤除光栅部分的尾纤部分穿入套管，再将由套管保护的光纤尾纤穿入铠装电缆；

B、钢套管及光纤的固定：将钢套管使用传感器固定夹固定于铁架台上，下端堵头安装好，将进行初步保护封装的光纤穿入钢套管并使用光纤固定夹固定，固定时应尽量使光纤处于拉直紧绷状态，并处于套管轴线方向；

C 、制备环氧树脂粘结剂：取环氧树脂和固化剂的质量比为2:1进行配比，制备时应尽量搅拌均匀并防止产生大量的气泡；

D、粘结剂的灌注：利用注射器将粘结剂缓慢均匀地注入固定好的钢套管内部；

E、传感器的固化成型：将灌注好的传感器于常温下静置24h即可成型；

F、光纤与跳线的连接：采用光纤熔接机将封装好的光纤与跳线焊接，传感器制作完成。

在优化方案中，步骤C中的粘结剂可以采用环氧树脂

步骤D中优化的操作是：利用注射器将制备好的环氧树脂粘结剂缓慢均匀地注入固定好的钢套管内部，注射时可在注射器端部接软管加长，伸入至套管底部开始灌注，有利于套管内部环氧树脂粘结剂注满；待静置一段时间，重新补注至套管内部环氧树脂粘结剂注满。注满后将上端堵头安装好。

采用环氧树脂粘结剂作为黏附填充材料，环氧树脂具有固化方便、粘附力强、收缩性低、优良力学性能、良好的耐电性能、化学稳定性、尺寸稳定性、耐霉菌等突出的优点，可使传感器内、外封装层粘结紧固，并且能满足道路工程复杂环境的要求。

本发明克服了现有技术的光纤光栅传感器不能与沥青混凝土协同变形的问题，提供了与沥青混凝土协同变形能力良好的光纤光栅传感器，并且其构造可以根据路面所用沥青混凝土材料类型进行调节。与现有技术相比，本发明传感器的强度可满足道路工程服役周期长，服役环境恶劣等条件，使传感器与路面达到最佳的协同变形效果，从而减少由传感器和路面的模量差异造成的测量误差。表面焊接钢钉及两端设置扩大头的构造形式的封装钢套管，使传感器在能适应路面恶劣使用条件的基础上，根据沥青路面材料类型，可以调节传感器表面钢钉的尺寸及间距，使传感器和沥青混凝土之间达到最佳的协同变形效果。其制备方法能够实现工业化生产。

附图说明

图1为表面钢钉式钢套管的设计示意图。

图2为传感器初步封装示意图。

图3为传感器剖面图。

图4为传感器封装的灌注示意图。

图5为传感器与沥青混凝土的短期协同变形试验设计示意图。

图6为传感器的中心波长数据。

图7为长期协同变形试验时间的车辙深度发展趋势图。

图8为传感器钢套管的钢钉尺寸及布置示意图表。

具体实施方式

实施例1，表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器及其制备方法。

针对SMA13沥青混合料类型，制作一部传感器。如图1、图2、图3，有裸光纤1，裸光纤1除光栅段的尾纤部分套入白色套管2，白色套管2再套入铠装电缆3，将初步封装的光纤套入钢套管4，钢套管4表面焊接钢钉5，两端设置端部扩大头6，铠装电缆2和钢套管4缝隙间利用注射器12灌注入环氧树脂胶黏剂7，钢套管4两端用堵头8密封。

传感器封装过程中，灌注环氧树脂胶黏剂时，需用到铁架台9，传感器利用铁架台9上的传感器固定夹10固定，铠装电缆初步封装的光纤利用铁架台9上的光纤固定夹11固定，利用注射器12将环氧树脂胶黏剂注入钢套管4内部至注满。

对传感器进行应变标定，其标定结果为：

，；

其中为传感器的中心波长变化量，pm；为传感器所测应变量，为拟合相关性系数。在应变标定试验中，传感器表现出良好的线性度和重复性。

将传感器埋入沥青混凝土梁试件内部进行短期协同变形试验。试验在梁试件简支的情况下进行三分点加载，利用应变片测量梁试件的实际应变值，将传感器的测定结果和应变片所测结果进行对比，建立两者的关系，评价传感器与沥青混凝土的短期协同变形效果。短期协同变形试验的设计示意图如图5所示。图5中，沥青混凝土小梁试件13，上压头14，传感器15，应变片16，支座1,7，应变解调仪18，光纤光栅解调仪19。

短期协同变形试验结果为： 。

其中为根据应变片及理论计算所得梁试件的应变值，为传感器所测梁试件的应变值。从结果可知，传感器所测结果和梁试件的理论结果几乎吻合，说明传感器与沥青混合料的短期协同变形效果良好。

将传感器埋入沥青混凝土试件进行长期协同变形后试验。试验以车辙试验为基础，利用传感器对试件的车辙深度进行监测，试验总共进行60个小时，并采用光纤光栅解调仪采集传感器的波长数据。试验过程中采集的传感器中心波长数据如图6所示。

根据传感器的标定结果和短期协同变形试验结果，计算出时间的长期协同变形试验时间的车辙深度发展趋势如图7所示。传感器监测的最终车辙深度为11.8mm，实测的车辙深度为12mm。

将传感器的监测结果和实测结果对比可知，经过长达60个小时的高温车辙试验后，传感器的测量误差仅为1.7%，监测结果可靠。

试验终止后，将传感器周围的沥青混凝土剥开，暴露出传感器与沥青混凝土的连接界面并进行观察。可以看出，经过长期协同变形试验之后，传感器周围的沥青混凝土与传感器连接十分紧密，没有出现任何剥离的迹象，说明传感器与沥青混凝土的长期协同变形效果良好。

试验终止后，将传感器全部取出，对其直观状态进行观察。从传感器的直观状态可以看出，传感器处于完好无损的状态，表面焊接的钢钉也丝毫没有受到影响，说明传感器的强度可以用于路面监测，且长期高温工作性能良好。

综上可知，此种表面钢钉式钢套管封装的路用埋入式光纤光栅应变传感器与沥青混凝土具有良好的协同变形能力，可用于沥青路面的监测。

Claims (1)

1.一种表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器，由裸光纤及封装材料构成，其特征在于，所述裸光纤的尾纤部分外部设有套管；该套管装入铠装电缆；该铠装电缆外部设有钢套管；在该钢套管两端分别设置有端部扩大头；在该钢套管的表面焊接有若干钢钉；

所述钢套管、钢钉间距、钢钉长度与沥青混合料类型之间的关系，按照下表的限定：

沥青混合料类型 钢钉间距(mm) 钢钉长度(mm) AC-10 ≥14 5 AC-13 ≥17 10 AC-16 ≥20 10 AC-20 ≥27 15 AC-25 ≥32 20 SMA-10 ≥14 5 SMA-13 ≥17 5 SMA-16 ≥20 10 SMA-20 ≥27 15 OGFC-10 ≥14 5 OGFC-13 ≥17 5

；

在所述铠装电缆与所述钢套管之间，设有粘结剂层；

以上结构使所述的光纤光栅传感器具有与沥青混凝土协同变形能力；

所述的粘结剂层采用环氧树脂；

所述的钢套管是采用45号钢，做成圆柱型钢套管；

所述的套管采用白色塑料套管；

所述的表面钢钉式钢套管封装光纤光栅应变传感器是指按照以下制备方法得到的光纤光栅应变传感器，制备步骤如下：

A、裸光纤的初步保护性封装：将光纤除光栅部分的尾纤部分穿入套管，再将由套管保护的光纤尾纤穿入铠装电缆；

B、钢套管及光纤的固定：将钢套管使用传感器固定夹固定于铁架台上，下端堵头安装好，将进行初步保护封装的光纤穿入钢套管并使用光纤固定夹固定，固定时应尽量使光纤处于拉直紧绷状态，并处于套管轴线方向；

C、制备环氧树脂粘结剂：取环氧树脂和固化剂的质量比为2:1进行配比，制备时应尽量搅拌均匀并防止产生大量的气泡；

D、环氧树脂粘结剂的灌注：利用注射器将环氧树脂粘结剂缓慢均匀地注入固定好的钢套管内部；

E、传感器的固化成型：将灌注好的传感器于常温下静置24h即可成型；

F、光线与跳线的连接：采用光纤熔接机将封装好的光纤与跳线焊接，传感器制作完成。