CN105043281B - 一种光纤光栅应变传感器及其制作方法和成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤光栅应变传感器，其特点是，包括：环氧树脂内筒体、环氧树脂外筒体和三组光纤光栅集A、B、C，所述环氧树脂内筒体上套置所述环氧树脂内筒体，在环氧树脂内筒体与环氧树脂内筒体之间置有粘贴在环氧树脂内筒体外壁上的三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体外壁母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅。并提供其制作方法和成型模具。具有结构简单，成本低，测量精度高，安装方便，使用寿命长，制作方法流程合理，周期短，利于大批量标准化生产，可实现对结构局部三维应力状态测试等优点。

Description

一种光纤光栅应变传感器及其制作方法和成型模具

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是涉及一种光纤光栅应变传感器及其制作方法和成型模具。

背景技术

应变是材料与结构的重要物理特性。大型结构和工程的应力状态对其安全可靠性起着决定性的作用，准确、及时而又全面地了解结构健康状态才能对其做出正确评价，从而避免重大事故的发生。

目前结构应变检测方式主要有两种，一种是电类传感测量技术，如电阻应变计、钢弦计等；另一种是光纤光栅应变传感器。采用上述两种方式对结构工程进行应变检测，在现有的技术中均存在较大的缺陷。

传统的应变计易受电磁干扰、锈蚀等因素影响，无法适应大型结构中恶劣的工作环境，不能进行分布式测量，且应变片自身的蠕变、氧化等问题都会带来测量误差，不能实现对重大工程结构健康状态的长期实时在线监测。

光纤光栅传感器以其体积小、损耗低、灵敏度高、不受电磁干扰和耐腐蚀等诸多优点能满足对结构监测的高精度、远距离、分布式、长期性和远程自动化监测的技术要求。然而目前使用的监测方法多为“点式”测量，只能反映局部状态，要想获得结构全面的状态信息则需要布置数量众多的传感器，而传统的光纤光栅应变传感器制造成本较高，对于多点分布式测量存在一定的局限性，此外，复杂的生产技术和精细的生产过程使得光纤光栅应变传感器只能小规模生产。目前的光纤光栅应变传感器多以测量结构局部的二维应力状态为主，而对于结构局部三维应力状态的检测主要是通过布设由一定数量光纤光栅应变传感器组成的传感网络来实现，因此对于三维光纤光栅应变传感器的设计具有主要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种结构简单，成本低，测量精度高，安装方便，使用寿命长，可实现对结构工程局部三维应力状态测试的光纤光栅应变传感器。并提供生产工艺流程合理，制造周期短，且利于大批量标准化生产的光纤光栅应变传感器的制作方法，还提供其制作方法所使用的成型模具。

本发明采用的技术方案之一是，一种光纤光栅应变传感器，其特征是，它包括：环氧树脂内筒体、环氧树脂外筒体和三组光纤光栅集A、B、C，所述环氧树脂内筒体上套置所述环氧树脂外筒体，在环氧树脂内筒体与环氧树脂外筒体之间置有粘贴在环氧树脂内筒体外壁上的三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体外壁母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅。

本发明采用的技术方案之二是， 一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，它包括的内容有：

1）环氧树脂内、外筒体用浇注料的制备：一次混料，在配料罐内，按质量份，环氧树脂、硅微粉填料为1:1.5进行配比混合，期间使混合物料保持在65-70℃，抽真空度低于1330pa，均匀搅拌1.5-2h，使混合物料脱水脱气；二次混料，再往脱水脱气的混合物料中,按质量份，混合物料、固化剂为100：25-30进行配比混合，保持温度70-75℃，抽真空度低于1330pa，混合搅拌30-45min后得到环氧树脂内、外筒体用浇注料；

2）使用成型模具，模具在真空浇注罐内均匀加热6-8h至80-85℃，再抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂内筒体成型空腔内，浇注速度1.5-2kg/min，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，保持温度在60℃，固化持续1-2h，冷却至常温，制得环氧树脂内筒体；

3）在环氧树脂内筒体的外壁表面用粘结剂粘贴三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体的外壁表面母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅，且中心波长各不相同，并通过成型模具的上盖的冒口导出光纤；

4）再继续使用成型模具，只将占位在模具环氧树脂外筒体成型空腔的内模板取出，模具温度80-85℃，抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂外筒体成型空腔内，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，固化温度60℃，持续1-2h冷却至常温，制得环氧树脂外筒体，使环氧树脂外筒体与其粘贴三组光纤光栅集A、B、C和环氧树脂内筒体固化为一体，脱模后得到光纤光栅应变传感器。

所用环氧树脂为E-51环氧树脂。

所用固化剂为593环氧固化剂。

本发明采用的技术方案之三是，一种光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具包括上盖、芯杆、底座、紧固件、对置的两瓣半圆柱形内模板和对置的两瓣半圆柱形外模板，对置的两瓣半圆柱形内模板上套置对置的两瓣半圆柱形外模板，对置的两瓣半圆柱形内模板和对置的两瓣半圆柱形外模板置在底座与上盖之间，且通过穿装在对置的两瓣半圆柱形内模板中间的芯杆与紧固件固连。

成型模具的内、外模板均为两瓣半圆柱形结构。

在所使用的成型模具对置的两瓣半圆柱形内模板与芯杆之间设有空腔。

在所使用的成型模具上盖上设有浇口和冒口。

本发明光纤光栅应变传感器较好地保留了裸光纤光栅的传感特性，精度高，一次测量就可获得被测量物体，例如岩石、混凝土等全部的3维应力张量，便于多点分布式测量，可广泛应用于大型结构安全状态的长期监测评估。具有结构简单，成本低，测量精度高，安装方便，使用寿命长等优点。

本发明光纤光栅应变传感器的制作方法具有生产工艺流程合理，制造周期短，且利于大批量标准化生产。

本发明光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具能够实现二次浇注，一次成型，模具结构简单，便于制造和装配。

附图说明

图1为本发明一种光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具立体1/4剖视示意图；

图2为图1中一瓣半圆柱形内、外模板6、7结构示意图；

图3为图1的俯视示意图；

图4为图3的A-A剖示意视图（一次待浇注状态）；

图5为一种光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具结构示意图；

图6为一种光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具主视示意图；

图7为图6的B-B剖面示意图；

图8为光纤光栅集A、B、C的粘贴位置示意图；

图9为每组集中各光纤光栅Ai、Bi、Ci(i=1,2,3)的贴贴示意图；

图10为图9中局部Ι放大示意图；

图11为图3的A-A剖示意视图（二次待浇注状态）；

图12为光纤光栅应变传感器结构示意图；

图13为光纤光栅应变传感器工作应用示意图；

图中：1螺母，2垫片，3浇口，4上盖，5芯杆，6对置的两瓣半圆柱形内模板，7对置的两瓣半圆柱形外模板，8底座，9冒口，10环氧树脂内筒体，11环氧树脂外筒体，12三组光纤光栅集A、B、C。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术特征和有益效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参照图8-图10和图12，本发明的一种光纤光栅应变传感器，包括：环氧树脂内筒体10、环氧树脂外筒体11和三组光纤光栅集A、B、C12，所述环氧树脂内筒体10上套置所述环氧树脂外筒体11，在环氧树脂内筒体10与环氧树脂外筒体11之间置有粘贴在环氧树脂内筒体10外壁上的三组光纤光栅集A、B、C12，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体10外壁母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅。

参照图1-图12，本发明一种光纤光栅应变传感器的制作方法，包括的内容有：

1）环氧树脂内、外筒体用浇注料的制备：一次混料，在配料罐内，按质量份，环氧树脂、硅微粉填料为1:1.5进行配比混合，期间使混合物料保持在65-70℃，抽真空度低于1330pa，均匀搅拌1.5-2h，使混合物料脱水脱气；二次混料，再往脱水脱气的混合物料中,按质量份，混合物料、固化剂为100：25-30进行配比混合，保持温度70-75℃，抽真空度低于1330pa，混合搅拌30-45min后得到环氧树脂内、外筒体用浇注料；

2）使用成型模具，模具在真空浇注罐内均匀加热6-8h至80-85℃，再抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂内筒体成型空腔内，浇注速度1.5-2kg/min，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，保持温度在60℃，固化持续1-2h，冷却至常温，制得环氧树脂内筒体；

3）在环氧树脂内筒体的外壁表面用粘结剂粘贴三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体的外壁表面母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅，且中心波长各不相同，并通过成型模具的上盖的冒口导出光纤；

4）再继续使用成型模具，只将占位在模具环氧树脂外筒体成型空腔的内模板取出，模具温度80-85℃，抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂外筒体成型空腔内，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，固化温度60℃，持续1-2h冷却至常温，制得环氧树脂外筒体，使环氧树脂外筒体与其粘贴三组光纤光栅集A、B、C和环氧树脂内筒体固化为一体，脱模后得到光纤光栅应变传感器。

所用环氧树脂、硅微粉填料和固化剂均为市售产品，所用环氧树脂为E-51环氧树脂。所用固化剂为593环氧固化剂。

参照图1-图12，一种光纤光栅应变传感器的制作方法所使用的成型模具，包括上盖4、芯杆5、底座8、对置的两瓣半圆柱形内模板6和对置的两瓣半圆柱形外模板7，对置的两瓣半圆柱形内模板6上套置对置的两瓣半圆柱形外模板7，对置的两瓣半圆柱形内模板6和对置的两瓣半圆柱形外模板7置在底座8与上盖4之间，且通过穿装在对置的两瓣半圆柱形内模板6中间的芯杆5与紧固件固连。紧固件为常用的螺母1和垫片2。在对置的两瓣半圆柱形内模板6与芯杆5之间设有空腔。在上盖上设有浇口和冒口。如图4所示，芯杆5为中间光轴的公称直径为M10的等长双头螺柱，上盖4的内径和底座8凹槽的内径与对置的两瓣半圆柱形外模板7的外径相同，通过设置一定的公差，保证三者之间的配合。

如图4所示，模具采用自底而上的装配方式，首先固定底座8，将芯杆5插入底座8的中心孔内，然后将对置的两瓣半圆柱形外模板7插入底座8的凹槽，取对置的两瓣半圆柱形内模板使其紧贴对置的两瓣半圆柱形外模板7的内表面，即利用对置的两瓣半圆柱形外模板7和底座8的约束定位对置两瓣半圆柱形内模板6，再放置上盖4，利用紧固件的螺母1和垫片2配合与芯杆5螺螺纹连接，装配完成后的模具如图5所示。

如图6、图7所示，为防止浇注时成型模具漏液，对置的两瓣半圆柱形内模板6和对置的两瓣半圆柱形外模板7的两对接处应错开一定的角度，拟选定45º。

如图8所示，在生成的浇注件表面使用Epo-tek353ND粘结剂粘贴三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°。每组光纤光栅集由3个光纤光栅（Ai、Bi、Ci，i=1,2,3）组成，分别沿圆柱面母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅，且中心波长各不相同，如图9和图10所示，并通过上盖4的冒口9导出光纤。

如图11所示，二次装配过程同上，区别在于拆除对置两瓣半圆柱形内模板6，此时对置两瓣半圆柱形内模板6与模具分体，且是将附带有粘贴光纤Bragg光栅浇注件的芯杆5插入底座8的中心孔内，完成后准备进行二次浇注。

二次浇注过程同一次浇注，此时混料从浇口3注入如图11所示的空腔内，二次浇注实现了对光纤Bragg光栅的封装和机械保护。

如图13所示，宽带光源发出光经过3dB的耦合器入射到光纤光栅应变传感器中，波长满足Bragg条件的光波被FBG反射回来，反射回的光是高斯分布的尖峰波。岩体或混凝土等结构应变的变化以应变波的形式传递到FBG中，使得FBG反射光的波长发生漂移，通过波长解调测量系统得出9个FBG的波长漂移量就可以获取岩石和混凝土三向应变，从而实现对大型结构工程安全状态的长期在线监测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种光纤光栅应变传感器的制作方法，所述的光纤光栅应变传感器包括：环氧树脂内筒体、环氧树脂外筒体和三组光纤光栅集A、B、C，所述环氧树脂内筒体上套置所述环氧树脂外筒体，在环氧树脂内筒体与环氧树脂外筒体之间置有粘贴在环氧树脂内筒体外壁上的三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体外壁母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅；其特征是，该方法包括的内容有：

1）环氧树脂内、外筒体用浇注料的制备：一次混料，在配料罐内，按质量份，环氧树脂、硅微粉填料为1:1.5进行配比混合，期间使混合物料保持在65-70℃，抽真空度低于1330pa，均匀搅拌1.5-2h，使混合物料脱水脱气；二次混料，再往脱水脱气的混合物料中, 按质量份，混合物料、固化剂为100：25-30进行配比混合，保持温度70-75℃，抽真空度低于1330pa，混合搅拌30-45min后得到环氧树脂内、外筒体用浇注料；

2）使用成型模具，模具在真空浇注罐内均匀加热6-8h至80-85℃，再抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂内筒体成型空腔内，浇注速度1.5-2kg/min，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，保持温度在60℃，固化持续1-2h，冷却至常温，制得环氧树脂内筒体；

3）在环氧树脂内筒体的外壁表面用粘结剂粘贴三组光纤光栅集A、B、C，每组间隔120°，每组光纤光栅集由3个光纤光栅Ai、Bi、Ci，i=1,2,3组成，分别沿环氧树脂内筒体的外壁表面母线、切线和方向布置，共9个光纤光栅，且中心波长各不相同，并通过成型模具的上盖的冒口导出光纤；

4）再继续使用成型模具，只将占位在模具环氧树脂外筒体成型空腔的内模板取出，模具温度80-85℃，抽真空度到低于1330Pa，将步骤1）得到的浇注料从模具浇口注入到模具环氧树脂外筒体成型空腔内，并由模具冒口排气，浇注完成持续抽真空直至去除浇注物料中的气泡后停止抽真空，将模具送入固化炉进行固化，固化温度60℃，持续1-2h冷却至常温，制得环氧树脂外筒体，使环氧树脂外筒体与其粘贴三组光纤光栅集A、B、C和环氧树脂内筒体固化为一体，脱模后得到光纤光栅应变传感器。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，所用环氧树脂为E-51环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，所用固化剂为593环氧固化剂。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，所使用的成型模具包括上盖、芯杆、底座、紧固件、对置的两瓣半圆柱形内模板和对置的两瓣半圆柱形外模板，对置的两瓣半圆柱形内模板上套置对置的两瓣半圆柱形外模板，对置的两瓣半圆柱形内模板和对置的两瓣半圆柱形外模板置在底座与上盖之间，且通过穿装在对置的两瓣半圆柱形内模板中间的芯杆与紧固件固连。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，成型模具的内、外模板均为两瓣半圆柱形结构。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，在所使用的成型模具对置的两瓣半圆柱形内模板与芯杆之间设有空腔。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅应变传感器的制作方法，其特征是，在所使用的成型模具上盖上设有浇口和冒口。