CN105547178A - 一种测量混凝土结构内部变形量的fbg传感器 - Google Patents

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章征林
孙阳阳
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张清华
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Abstract

本发明公开了一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，所述FBG传感器设置在混凝土结构的内部，包括FBG光栅串、M个固定端子和N根毛细钢管，其中M≥2，N≥1，相邻的两根毛细钢管之间设有固定端子，且固定端子位于毛细钢管端部，FBG光栅串贯穿N根毛细钢管和位于毛细钢管端部的固定端子。本发明可埋入混凝土内部，实现对混凝土内部裂缝宽度测量；通过设置若干个毛细钢管和固定端子，实现了结构内部变形的多点多间距实时监测。制作简单，实用性强。

Description

一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器
技术领域
本发明属于传感器技术，具体涉及一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器。
背景技术
混凝土是一种由水泥、砂、石、水、空气、化学外加剂等物质组成的多相复合材料，其性能复杂，通常连续暴露在恶劣的环境(如冻融、干湿变化)里或在荷载作用下易发生变形甚至开裂。裂缝是混凝土老化和病变的表现，对结构的危害较大。严重的裂缝会恶化混凝土结构的应力状态，破坏其整体性和抗渗性。进而影响结构的长期耐久性。细微的裂缝不仅能影响结构的美观，甚至演化为严重裂缝。因此，对裂缝进行监测非常必要，尤其是混凝土内部的变形监测。
混凝土变形监测研究更多的偏重于结构的表面，在混凝土表面粘贴裸光栅以及安装封装后的传感器，但裸光栅较脆，且测量量测有限；封装后的传感器也只是测量混凝土的表面，对内部的测试能力有限。
苏州南智传感公司设计的混凝土内部FBG应变计采用单点测试，将光栅粘贴的柔性钢材表面，测量钢材的变形以获取混凝土的应变。但这样的设计难以满足长标距连续测量，而且由于光栅粘贴的钢材表面，获取的应变数据并非混凝土的真实应变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，解决了混凝土内部变形的准确测量及开裂监测的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，所述FBG传感器设置在混凝土结构的内部，包括FBG光栅串、M个固定端子和N根毛细钢管，其中M≥2，N≥1，固定端子和毛细钢管间隔布置，两者端部相接触，FBG光栅串贯穿N根毛细钢管和位于毛细钢管端部的固定端子。
所述毛细钢管为外壁带螺纹的毛细钢管。
所述FBG光栅串由一根完整的光纤构成，在光纤上刻写若干个光栅，光栅悬空置于毛细钢管内。
所述固定端子为圆柱体，沿中心轴线设有通孔，任意一端车有平面，所述平面位于通孔下方，且平面与通孔相切，FBG光栅串穿过所述通孔，与平面固连。
所述固定端子任意一端车有平面，所述平面长度为固定端子长度的1/3~4/5。
所述通孔直径与FBG光栅串的直径相同。
一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，还包括保护套管，保护套管将固定端子包裹，保护套管一端固定在固定端子一侧的毛细钢管上，一根毛细钢管有且仅固定一个保护套管。
所述保护套管长度大于固定端子长度。
所述FBG光栅串中的相邻的两个光栅间距等于相邻的两个光栅之间的固定端子的长度与光栅至上述固定端子端部的距离之和。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）采用FBG光栅串，FBG光栅串抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可分布成网。
（2）可埋入混凝土内部，实现对混凝土内部裂缝宽度测量。
（3）通过设置若干个毛细钢管和固定端子，实现了结构内部变形的多点多间距实时监测。
（4）制作简单，实用性强。
附图说明
图1为本发明的一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器的整体结构示意图。
图2为本发明的固定端子放大示意图。
图3为本发明的FBG光栅串的放大示意图。
图4为本发明的实施例1中FBG光栅串上光栅位置示意图。
图5为图4中光栅测得的混凝土结构内部变形量的数据图，其中（a）为1号位置测得的混凝土结构内部变形量的数据图，（b）为2号位置测得的混凝土结构内部变形量的数据图，（c）为3号位置测得的混凝土结构内部变形量的数据图。
图6为本发明带螺纹的毛细钢管的放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1~图3，一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，所述FBG传感器设置在混凝土结构的内部，包括FBG光栅串1、M个固定端子2和N根毛细钢管3，其中M≥2，N≥1，相邻的两根毛细钢管3之间设有固定端子2，且固定端子2位于毛细钢管3端部，FBG光栅串1贯穿N根毛细钢管3和位于毛细钢管3端部的固定端子2，将毛细钢管3和位于毛细钢管3端部连为一个整体。
所述毛细钢管3为外壁带螺纹的毛细钢管。
所述FBG光栅串1由一根完整的光纤构成，在光纤上刻写若干个光栅，光栅悬空置于毛细钢管3内。
所述固定端子2为圆柱体，沿中心轴线设有通孔，任意一端车有平面，所述平面位于通孔下方，且平面与通孔相切，FBG光栅串1穿过所述通孔，与平面固连。光栅不位于固定端子2上。
所述固定端子2任意一端车有平面，所述平面长度为固定端子2长度的1/3~4/5。
所述通孔直径与FBG光栅串1的直径相同。
一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，还包括保护套管4，保护套管4将固定端子2包裹，保护套管4一端固定在固定端子2一侧的毛细钢管3上，保护套管4另一端不固定，使得另一侧的毛细钢管3可滑动，一根毛细钢管3有且仅固定一个保护套管4。
所述保护套管4长度大于固定端子2长度。
所述FBG光栅串1中的相邻的两个光栅间距等于相邻的两个光栅之间的固定端子2的长度与光栅至上述固定端子2端部的距离之和。
改变毛细钢管3或固定端子2的长度，即调节两个相邻光栅的间距，实现混凝土结构变形的实时连续多点多间距测量。
本发明可对混凝土结构内部变形进行连续测量，结构变形带动毛细钢管3变形，从而使得毛细钢管3两端的固定端子2移动，由于FBG光栅串1与固定端子2固连，毛细钢管3内部FBG光栅串1悬空，固定端子2的移动带动FBG光栅串1上的光栅发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这种波长变化的捕捉即可实现对混凝土结构变形的测量。
实施例1
以测量长度为1m的混凝土梁为例：
一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，所述FBG传感器沿混凝土梁中心线埋设，包括一根1.5m的FBG光栅串1、4个3cm长的固定端子2、2根长27cm毛细钢管3、1根长37cm毛细钢管3，4个5cm的保护套管4。毛细钢管3两端分别设有固定端子2，FBG光栅串1贯穿3根毛细钢管3和固定端子2。保护套管4将固定端子2包裹，保护套管4一端固定在固定端子2一侧的毛细钢管3上，一根毛细钢管3有且仅固定一个保护套管4。
结合图6，所述毛细钢管3为外壁带螺纹的毛细钢管，螺纹有利于与混凝土结构协调变形。
结合图4，所述FBG光栅串1由一根完整的光纤构成，在光纤上刻写3个光栅，间距依次为30cm和40cm，光栅悬空置于毛细钢管3内，毛细钢管3内的光栅从左至右依次为1号、2号、3号。
所述固定端子2为圆柱体，沿中心轴线设有通孔，任意一端车有平面，所述平面位于通孔下方，且平面与通孔相切，FBG光栅串1穿过所述通孔，与平面固连。
所述通孔直径与FBG光栅串1的直径相同，通孔内径为0.2mm。
当混凝土梁内部发生形变，通过FBG传感器测得数据如图5所示，随着荷载的增加，3个位置的传感器波长均出现相应的变化，通过换算可知每根毛细钢管在加载过程中的任意时刻的变形值，即可获取混凝土内部在荷载作用下的变形。
加工方法：
步骤1、将FBG光栅串1一端穿过固定端子2，并通过胶黏与固定端子2的平面固连。
步骤2、待胶水凝固，穿入一根长27cm的毛细钢管3，使得FBG光栅串1上的一个光栅位于毛细钢管3中央位置，对FBG光栅串1进行预拉，预拉2nm。
步骤3、再穿入固定端子2，并通过胶黏与固定端子2的平面固连。
步骤4、待胶水凝固，穿入一根长27cm的毛细钢管3，使得FBG光栅串1上的一个光栅位于毛细钢管3中央位置，对FBG光栅串1进行预拉，预拉2nm。
步骤5、再穿入固定端子2，并通过胶黏与固定端子2的平面固连。
步骤6、待胶水凝固，穿入一根长37cm的毛细钢管3，使得FBG光栅串1上的一个光栅位于毛细钢管3中央位置，对FBG光栅串1进行预拉，预拉2nm。
步骤7、再穿入固定端子2，并通过胶黏与固定端子2的平面固连。
步骤8、将4个保护套管4依次穿入，将固定端子2包裹，得到测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器。
本发明所述的一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器采用FBG光栅串，抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可分布成网。可埋入混凝土内部，实现对混凝土内部裂缝宽度测量。通过设置若干个毛细钢管和固定端子，实现了结构内部变形的多点多间距实时监测。制作简单，实用性强。

Claims (9)

1.一种测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述FBG传感器设置在混凝土结构的内部，包括FBG光栅串（1）、M个固定端子（2）和N根毛细钢管（3），其中M≥2，N≥1，固定端子（2）和毛细钢管（3）间隔布置，两者端部相接触，FBG光栅串（1）贯穿N根毛细钢管（3）和位于毛细钢管（3）端部的固定端子（2）。
2.根据权利要求1所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述毛细钢管（3）为外壁带螺纹的毛细钢管。
3.根据权利要求1所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述FBG光栅串（1）由一根完整的光纤构成，在光纤上刻写若干个光栅，光栅悬空置于毛细钢管（3）内。
4.根据权利要求1所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述固定端子（2）为圆柱体，沿中心轴线设有通孔，任意一端车有平面，所述平面位于通孔下方，且平面与通孔相切，FBG光栅串（1）穿过所述通孔，与平面固连。
5.根据权利要求4所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述固定端子（2）任意一端车有平面，所述平面长度为固定端子（2）长度的1/3~4/5。
6.根据权利要求4所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述通孔直径与FBG光栅串（1）的直径相同。
7.根据权利要求1所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：还包括保护套管（4），保护套管（4）将固定端子（2）包裹，保护套管（4）一端固定在固定端子（2）一侧的毛细钢管（3）上，一根毛细钢管（3）有且仅固定一个保护套管（4）。
8.根据权利要求7所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述保护套管（4）长度大于固定端子（2）长度。
9.根据权利要求7所述的测量混凝土结构内部变形量的FBG传感器，其特征在于：所述FBG光栅串（1）中的相邻的两个光栅间距等于相邻的两个光栅之间的固定端子（2）的长度与光栅至上述固定端子（2）端部的距离之和。
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