CN105300305A - 耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其上设置有至少一个螺旋式的凹槽，凹槽内放置有光纤线以及用于覆盖光纤线的保护层，光纤线上刻有多个光栅。同时，本发明还提供了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝的制作方法。本发明通过在钢丝上设置螺旋式凹槽，根据构件的应变范围，改变凹槽螺旋角的大小，扩大光纤光栅传感器测量的量程，避免了由于光纤光栅材料本身玻璃脆性而限制其测量量程的不利因素；通过将光纤光栅位于钢丝内部，避免了由于施工因素对光纤光栅传感器的不利影响，保证了光纤光栅传感器的使用寿命；通过在钢丝可开多个螺旋槽口，使多组光纤光栅同时工作，可进行多项数据对比，提高了监测结果的准确性。
Description
技术领域
本申请属于预应力钢绞线或钢丝束拉索的应变监测技术领域，具体地说，涉及一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝及其制作方法。
背景技术
预应力结构和建筑拉索广泛应用于桥梁、高层建筑、高耸建筑、地下结构、海洋结构、压力容器、大吨位囤船结构和核电站等各个领域的重大工程结构。各种结构其寿命使用期长达几十年甚至百年，在使用过程中受环境侵蚀，材料老化和荷载长期效应等因素的耦合作用，不可避免地使结构和系统的损伤积累，从而抵抗自然灾害的能力衰减甚至正常使用功能都会降低，在极端情况下甚至引发灾难性后果，所以结构的安全性分析及监测手段极为重要。
高强钢绞线和钢丝组成现代预应力结构中最广泛的预应力筋和拉索，对其使用过程中的应力状态进行监测具有十分重大的意义。而光纤光栅技术通过栅格反射波长和移动来感知外界物理量的微小变化。具有测量线性度高，重复性好。可对结构的应力应变进行高精度的、绝对的、准分布式数字测量。同时还具有抗电磁干扰能力强、耐高温、传感器体积小、接线简单、可实现数据远距离传输的特点，比较适合用于高强钢丝的受力变形的监测。
由于受光纤本身材料为玻璃比较脆，限制了光纤光栅的量程，在用于长期监测时，其受到的拉伸应变不能超过5000微应变，否则容易出现断裂，导致其失去作用。但是，高强钢丝实际应用的应变比较高，一般的拉索受力应变值已接近4000微应变，而体内预应力筋的钢丝长期应变值已超过6000微应变。同时，受布设工艺影响，如果与建筑构件在施工过程中无法充分粘合，对检测到的应变量与实际应变不吻合。在复杂的施工过程中如果对光纤光栅保护不当，可能无法保证传感器的使用寿命满足长期监测的目的。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝及其制作方法，解决了由于布设工艺降低光纤光栅监测准确度以及光纤光栅监测量程受到限制的问题。
为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其上设置有至少一个螺旋式的凹槽，所述凹槽内放置有光纤线以及用于覆盖所述光纤线的光纤保护层，所述光纤线上刻有光栅。
进一步地，所述凹槽截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm。
进一步地，所述光纤线和所述光纤线保护层填充满所述凹槽。
进一步地，所述凹槽个数为1-8个。
进一步地，所述凹槽的螺旋角为大于0°且小于等于90°。
进一步地，所述耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝应用在钢绞线或者钢丝束拉索上。
本发明另一方面还提供了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝的制作方法，其方法步骤包括：
在钢丝上开螺旋式的凹槽；
对所述钢丝进行拉伸，拉伸应力在0～1860MPa之间；
在所述凹槽内涂抹光纤线胶黏剂，并将刻有光栅的光纤线粘贴在所述凹槽内；
在所述凹槽内放置用于覆盖所述光纤线的光纤保护层。
进一步地，所述凹槽截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm。
进一步地，所述凹槽个数为1-8个。
进一步地，所述凹槽的螺旋角为大于0°且小于等于90°。
与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：
1)通过将光纤光栅直接耦合在钢丝内部，提高了结构粘合程度，并与构件的变形保持一致，使光纤光栅传感器所测应变与构件的实际应变相吻合；
2)通过在钢丝上设置螺旋式凹槽，根据构件的应变范围，改变凹槽螺旋角的大小，即改变凹槽的螺距，扩大光纤光栅传感器测量的量程，避免了由于光纤光栅材料本身玻璃脆性而限制其测量量程的不利因素；
3)通过将光纤光栅位于钢丝内部，在复杂的施工环境下基本不受影响，避免了由于施工因素对光纤光栅传感器的不利影响，保证了光纤光栅传感器的使用寿命满足长期监测的目的；
4)通过在钢丝可开多个螺旋槽口，使多组光纤同时工作，可进行多项数据对比，很大程度上提高了监测结果的准确性和说服力；
当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施例的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝开槽示意图；
图2是本申请实施例的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝另一开槽示意图；
图3是本申请实施例的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝的开槽横截面图；
图4是本申请实施例的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝的另一开槽横截面图；
图5是本申请实施例的光纤光栅与钢丝轴向变形数学关系示意图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
下面将结合图1-5详细介绍本发明实施例。
实施例一
如图1-图5所示，本实施例提供了一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝1，其上设置有至少一个螺旋式的凹槽2，所述凹槽2内放置有光纤线3以及用于覆盖所述光纤线3的光纤保护层4，所述光纤线3上刻有多个光栅。
具体地，所述凹槽2截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm。
在本实施例中，所述光纤线3和所述光纤保护层4填充满所述凹槽2。
具体地，所述凹槽2个数为1-8个。
在本实施例中，如图5所示，所述凹槽2的螺旋角θ可以为大于0°且小于等于90°，本实施例中，具体为所述凹槽2的螺旋角θ为30°。
本实施例中，所述凹槽2的螺旋角θ对光纤线3的量程的增大作用如下:
当钢丝1产生微应变时由于应变与钢丝1尺寸差距较大，角度变化可忽略不计，图5中螺旋角θ为30°，L1为光纤线3长度，L2为螺距，Q1为钢丝1轴向应变，Q2为光纤线3的应变，耦合在钢丝1上的光纤线3的应变Q2与钢丝1轴向应变Q1之比为sin30°，即凹槽2的螺旋角θ为30度时，光纤线3应变只是钢丝1轴向应变的一半，所以此时光纤线3的量程变为直接沿钢丝1轴向布置时的两倍。
在本实施例中，所述耦合光纤线3的大量程智能高强钢丝1应用在钢绞线或者钢丝束拉索上，所述耦合光纤线3的大量程智能高强钢丝1在钢绞线中可以作为中心丝，也可以作为构成钢丝束拉索的一个钢丝。
实施例二
本实施例提供了一种耦合光纤线3的大量程智能高强钢丝1的制作方法，其方法步骤包括：
步骤1：在钢丝上开螺旋式的凹槽2；
步骤2：对所述钢丝进行拉伸，拉伸应力在0～1860MPa之间；
步骤3：在所述凹槽2内涂抹光纤线3胶黏剂，并将刻有光栅的光纤线3粘贴在所述凹槽2内；
步骤4：在所述凹槽2内放置用于覆盖所述光纤线3的光纤保护层4。
本实施例中，在缠绕好光纤线3之后，保持钢绞线中的中丝或钢丝束拉索的某根钢丝拉伸状态一段时间，直至光纤线3的胶黏剂起作用。
本实施例中，所述凹槽2截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm；所述凹槽2个数为1-8个；所述凹槽2的螺旋角θ为大于0°且小于等于90°；所述光纤线3和所述光纤保护层4填充满所述凹槽2。
由于光纤线3性质脆弱，如果正常缠绕会导致在缠绕时就有拉伸应变，从而导致量程不足甚至可能在缠绕时就对光纤线3产生破坏，从而降低了使用性能及寿命。而先对钢绞线中的中丝或钢丝束拉索的某根钢丝进行拉伸再缠绕光纤线3，在释放钢绞线中的中丝或钢丝束拉索的某根钢丝之后，由于钢丝的轴向应变会带动光纤线3产生应变，从而抵消由于缠绕时产生的拉伸应变甚至会使光纤线3产生压应变从而提高光纤线3的量程及使用寿命。
本发明通过将光纤线3直接耦合在钢丝1内部，提高了结构粘合程度，并与构件的变形保持一致，使光纤光栅传感器所测应变与构件的实际应变相吻合；本发明通过改变凹槽2螺旋角θ的大小，扩大光纤光栅传感器测量的量程，避免了由于光纤线3本身玻璃脆性而限制其测量量程的不利因素；本发明可以通过将光纤线3位于钢丝1内部，在复杂的施工环境下基本不受影响，避免了由于施工因素对光纤线3传感器的不利影响，保证了光纤线3传感器的使用寿命满足长期监测的目的；本发明还可以通过在钢丝1可开多个螺旋槽口，使多组光纤同时工作，可进行多项数据对比，很大程度上提供了监测结果的准确性和说服力。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，其上设置有至少一个螺旋式的凹槽，所述凹槽内放置有光纤线以及用于覆盖所述光纤线的光纤保护层，所述光纤线上刻有多个光栅。
2.根据权利要求1所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm。
3.根据权利要求1所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述光纤线和所述光纤线保护层填充满所述凹槽。
4.根据权利要求1所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽个数为1-8个。
5.根据权利要求1所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽的螺旋角为大于0°且小于等于90°。
6.根据权利要求1-5任一项中所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，其应用在钢绞线或者钢丝束拉索上。
7.一种如权利要求1-5任一项中所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝的制作方法，其特征在于，其方法步骤包括：
在钢丝上开螺旋式的凹槽；
对所述钢丝进行拉伸，拉伸应力在0～1860MPa之间；
在所述凹槽内涂抹光纤线胶黏剂，并将刻有光栅的光纤线粘贴在所述凹槽内；
在所述凹槽内放置用于覆盖所述光纤线的光纤保护层。
8.根据权利要求7所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽截面为圆弧形，其半径为0.1-0.6mm。
9.根据权利要求7所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽个数为1-8个。
10.根据权利要求7所述的耦合光纤光栅的大量程智能高强钢丝，其特征在于，所述凹槽的螺旋角为大于0°且小于等于90°。
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| PB01 | Publication | ||
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