CN103759667A - 表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器及其制作方法，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；在该钢套管两端分别设置有端部扩大头；在该钢套管的表面设有若干表面凹槽。本发明的应变传感器，其强度可满足道路工程服役周期长，服役环境恶劣等条件，且钢套管的表面凹槽和端部扩大头可用于增强传感器与路面材料的连接力，提高传感器与路面的协同变形能力，从而减少由传感器和路面的模量差异造成的测量误差。
Description
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凹槽式钢套管封装的路面应变监测的光纤光栅应变传感器，本发明还涉及这种应变传感器的制作方法。
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
本发明的目的在于提供一种表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，该应变传感器服役周期更长、能更好地适应路面使用条件、与路面协同变形能力更好的应变传感器。
本发明的另一目的在于提供上述应变传感器的制作方法。
完成上述发明任务的技术方案是：一种表面凹槽式路用埋入式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；在该钢套管的表面设有若干表面凹槽。
所述钢套管、凹槽宽度、凹槽间距、凹槽深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 | 凹槽宽度(mm) | 凹槽间距(mm) | 凹槽深度(mm) | 传感器钢套管钢钉布置示意 |
| AC-10 | 7 | 7 | 1 |  |
| AC-13 | 8 | 8 | 1 | |
| AC-16 | 10 | 10 | 1 |  |
| AC-20 | 13 | 13 | 1 |  |
| AC-25 | 16 | 16 | 1 |  |
| SMA-10 | 7 | 7 | 1 |  |
| SMA-13 | 8 | 8 | 1 | |
| SMA-16 | 10 | 10 | 1 | |
| SMA-20 | 13 | 13 | 1 |  |
| OGFC-10 | 7 | 7 | 1 |  |
| OGFC-13 | 8 | 8 | 1 |  |
以上涉及的优化方案有：
在所述铠装电缆与所述钢套管之间，设有粘结剂层。
所述的粘结剂层采用环氧树脂。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、外封装层粘结更紧固，并且能满足道路工程复杂环境的要求。
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。
换言之，本发明的传感器包括裸光纤光栅、白色套管、铠装电缆、环氧树脂、固化剂、表面凹槽式钢套管及堵头。使用白色套管和铠装电缆对裸光纤光栅进行初步封装后，再利用钢套管进行封装，并在钢套管和铠装电缆之间灌注环氧树脂胶黏剂进行填充，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，钢套管的强度可满足路面服役周期长，服役环境恶劣等条件，在钢套管表面刻凹槽，并在套管两端设置扩大头，可增强传感器与路面材料之间的连接作用，从而提高两者之间的协同变形能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是表面刻制凹槽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，具有和路面良好的协同变形能力。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，包括下述顺序的步骤：
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白色套管，再将由白色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。将钢套管固定于铁架台上，下端铁片安装好，将进行初步保护封装的光纤穿入钢套管并固定，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、制备粘结剂；
D、粘结剂的灌注。利用注射器将制备好的粘结剂缓慢均匀地注入固定好的钢套管内部；注满后将上端铁片安装好。
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。
以上方法的优化方案有：
步骤C步骤D中的粘结剂采用环氧树脂；
步骤C的操作方法是：取环氧树脂和聚酰胺树脂的质量比为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。
步骤D操作方法是：利用注射器将制备好的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，从套管底部开始注入，有利于套管内部粘结剂注满；待静置一段时间，重新补注至套管内部粘结剂注满；注满后将上端铁片安装好。
本发明的表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，服役周期更长、能更好地适应路面使用条件、与路面协同变形能力更好的应变传感器。
附图说明
图1-1、图1-2分别为表面凹槽式钢套管结构示意图。
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为短期协调变形试验示意图。
图6为短期协调变形试验所测得的曲线图。
图7为长期协同变形试验中传感器的中心波长数据。
图8为长期协同变形试验中车辙深度发展趋势图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。一种表面凹槽式钢套管封装的路用埋入式光纤光栅传感器，如图1、图2、图3，有裸光纤1，裸光纤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表面刻有凹槽5，两端设置端部扩大头6，铠装电缆2和钢套管4缝隙间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内部至注满。
传感器标定结果为：
，
。其中，
为传感器波长变化量，
为传感器所测应变值。
将传感器埋入设计的沥青混凝土梁试件中，进行短期协调变形试验，将传感器测得的沥青混凝土梁的应变值和其理论计算应变值进行比较分析，并得出两者之间的关系公式。协调变形试验示意图如图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17，应变解调仪18，光纤光栅解调仪19。
短期协调变形试验步骤如下：
a)植入传感器的车辙试件的制作。将搅拌好的混合料倒入尺寸为
的模具中。将传感器埋置于1/2高度处并将试件放置于车辙碾压仪中碾压成型。
b)沥青混凝土梁试件的制作。将制作好的车辙试件利用切割机切割成的梁试件。切割时分别沿传感器轴线左右分别15mm和45mm处切割，将离传感器15mm的切割面定为梁试件底部，离传感器45mm的切割面定为梁试件顶部。
c)于梁试件底部中点沿轴线放线粘贴应变片。粘贴时用502胶水粘贴，待胶水完全干燥方可进行下一步试验。
d）将梁试件简支于底部支座上，并将上压头放置于设计部位。
e）将传感器跳线与光线光栅解调仪连接，将应变片与应变解调仪连接。
f）利用砝码逐级加载，并逐级记录传感器波长数据和应变片应变数据。
试验结果如图6所示。
从上述实验结果可以看出，传感器所测应变值和小梁实际应变值之间的关系为：
。其中，
为小梁实际应变值，
为传感器所测应变值。传感器所测应变值与理论计算应变值呈线性变化，二者的先关系数达0.946，说明传感器与沥青混合料具有良好的协调变形能力。小梁的实际应变可由传感器的实测应变通过拟合公式得出。
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7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8所示。传感器监测的最终车辙深度为10.2mm，实测的车辙深度为10mm。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2%，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。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。
综上可知，此种表面凹槽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，可用沥青路面的监测。
Claims (10)
1.一种表面凹槽式路用埋入式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；在该钢套管的表面设有若干表面凹槽。
2.根据权利要求1所述的表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，其特征在于，在所述铠装电缆与所述钢套管之间，设有粘结剂层。
3.根据权利要求2所述的表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的粘结剂层采用环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的钢套管是采用45号钢，做成的圆柱型钢套管。
5.根据权利要求1所述的表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述的套管采用白色塑料套管。
6.所述钢套管、凹槽宽度、凹槽间距、凹槽深度与沥青混合料类型之间的关系，按照下表的限定：
。
7.权利要求1所述表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，包括下述顺序的步骤：
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白色套管，再将由白色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：将钢套管固定于铁架台上，下端铁片安装好，将进行初步保护封装的光纤穿入钢套管并固定，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、制备粘结剂；
D、粘结剂的灌注：利用注射器将制备好的粘结剂缓慢均匀地注入固定好的钢套管内部；注满后将上端铁片安装好；
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。
8.根据权利要求7所述表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，步骤C与步骤D中的粘结剂采用环氧树脂。
9.根据权利要求8所述表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，步骤C的操作方法是：取环氧树脂和聚酰胺树脂的质量比为2:1进行配比，制备时应尽量搅拌均匀并防止产生气泡。
10.根据权利要求8或9所述表面凹槽式路用埋入式光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征在于，步骤D操作方法是：利用注射器将制备好的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，从套管底部开始注入，有利于套管内部粘结剂注满；待静置一段时间，重新补注至套管内部粘结剂注满；注满后将上端铁片安装好。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140430 |