CN105651196A - 温度自补偿光纤光栅钢筋计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种温度自补偿光纤光栅钢筋计，主要包括：外部PTFE圆管1、内部金属圆管2、光纤光栅3、高分子材料温度补偿圆柱体5、镂空弹性金属片6、阶梯型固定端构件7、带有凹槽的金属圆柱体8和传输光纤11等。光纤光栅3一端用特殊焊料焊接在镂空弹性金属片6上，一端连接在高分子材料温度补偿圆柱上。当建筑物中钢筋发生形变时，镂空弹性金属片6会发生拉伸或压缩变形，使得光纤光栅波长发生改变，进而测得建筑物中钢筋的形变，当温度发生变化时，温度补偿圆柱会发生伸缩用以补偿光栅的温度漂移，该传感器具有灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁干扰及温度自补偿能力。

Description

温度自补偿光纤光栅钢筋计

技术领域

本发明涉及一种测量钢筋内部应变的光纤光栅传感器，特别是一种基于预张拉技术的光纤光栅钢筋计，且具有温度自补偿功能，主要应用于建筑物中钢筋应变的监测，属于传感器技术领域。

背景技术

传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱。随着信息化的发展，信息的传输、获取及处理已称为现代社会极其重要的组成部分。随着工业技术的发展，应用中对传感器的要求逐步提高，要求传感器具有高精度、高灵敏度以及广泛的量程，此外，还需具备数字化或线性化输出的能力。

光纤通信的迅猛发展加快了光纤传感器在工程领域的应用。其中，光纤光栅传感器的表现尤为突出，是使用范围最广频率最高的光纤传感器。光纤传感器还包括光纤电流传感器、光纤水听器以及光纤陀螺。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：抗电磁干扰、耐腐蚀、化学性能极其稳定、绝缘性能优异；传感器结构灵巧轻便、几何形状可塑，适用于一些要求传感器体积小重量轻的应用场合，可埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测；传输损耗小，可实现远距离遥控监测；光栅制作方便，没有零漂，出厂后无需定期检定；光纤光栅的写入工艺成熟，便于大规模生产和商品化。但也具备不足之处：封装工艺复杂、对应力和温度同时敏感且受到传感信号的解调技术的限制，需要波长解调仪对光纤光栅的信号进行解调，可以达到解调精度的解调仪以及光谱仪价格较为昂贵，使得成本增高，而一般的光谱仪无法达到解调精度。

光纤光栅利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。由于特有的优点，光纤光栅被广泛应用于传感器的设计。光纤光栅的信号是波长编码的信号，若要进行非光学物理量的测量，比如在传感器的设计中，需将待测物理量转变为波长信号。也就是将被测的位移、压力、应变、温度、加速度等转变为波长进行显示。光纤光栅是利用光敏光纤的光致折射率变化，把光纤放置于紫外光形成的空间干涉条纹中曝光而在纤芯形成的空间相位光栅。当光栅处的温度、应力、应变变化时，发射峰值即测得的光栅波长将发生相应的变化。

目前，传统的钢筋应变测试手段有电阻应变片和振弦式钢筋计，电阻应变片的寿命和温漂问题很难解决；振弦式应变计由于钢弦蠕变现象也不能长期使用。目前在土木工程健康监测领域，经过大量的研究和应用后证明，用光纤光栅进行钢筋应变测试已经是首选。

光纤光栅技术起源于上世纪七十年代，九十年代进入我国，现在我国国内有多家研究机构利用此项技术进行参数测试或产品制作。它是一种以输出光波长为信息的一种新型光子器件，由于光纤光栅传感器具有使用方便、灵敏、精度高、抗酸碱、抗电子干扰等诸多优良特性，光纤光栅传感器的应用将越来也广泛。

目前，在大多施工现场，都是将光纤光栅直接粘贴于被测钢筋，再加以简单的保护用于监测，由于土木工程的粗放式施工，这样简单的传感器往往成活率很低。由于光纤光栅对于温度、应变比较敏感，而现在工程上所采用的光纤光栅钢筋计均不具有温度补偿功能，从而导致测量误差较大。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足之处，设计出一种基于光纤光栅预张拉技术，具有使用方便、灵敏度高、温度补偿效果好的光纤光栅钢筋计。它能对建筑中钢筋应变的变化进行实时准确的测量，同时，在测量的过程中能自动对温度变化引起的干扰进行温度补偿。

本发明的光纤光栅钢筋计（参看附图1）由外部塑料圆管1、内部金属圆管2、光纤光栅3、温度补偿圆柱体5、镂空弹性金属片6、阶梯型固定端构件7、带有凹槽的金属圆柱体8和传输光纤11组成。能够实时测量建筑物中钢筋应变的变化情况。

本发明的光纤光栅钢筋计主要是由两个重要部分组成，光纤光栅钢筋计的封装是本发明的一个重要组成部分。封装部分由两层组成，最外层是外部PTFE塑料圆管1，该保护层可使传感器具有一定的弹性变形能力，同时还可避免混凝土进入传感器内部，内层为304不锈钢金属圆管2，该金属管松散套接在两端的阶梯形构件7上，使之可发生相对滑动。

内部感应结构为本发明的另一重要部分，主要包括高分子温度补偿圆柱体5、镂空弹性金属片6和光纤光栅3。镂空弹性金属片6具有较好的拉压弹性变形能力，并将形变传递给光纤光栅3；温度补偿圆柱体5是由高分子材料制成，具有较大的热膨胀系数，用来消除温度引起的测量误差；光纤光栅3采用预张拉技术，并用特殊焊料固定于弹性金属片6上。

带有凹槽的金属圆柱体8的一端穿过阶梯型固定端构件，在金属圆柱体的凹槽内安放传输光缆11传输数据，用树脂进行胶封，另一端与镂空金属弹性片6焊接连接。

本发明所提供的钢筋计具有温度自补偿功能，且拉压刚度较小，可最大限度的降低传感器附加刚度对测量结果造成的误差，由于光栅采用张拉工艺，且与金属的连接采用焊接工艺确保了传感器的可靠性和长期稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

附图1：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计的总体平面结构图。

附图2：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计的总体侧视结构图。

附图3：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计的总体侧视图。

附图4：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计固定端构件7的三维图。

附图5：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计外层PTFE圆管1的三维图。

附图6：为本发明温度自补偿光纤光栅钢筋计内层金属圆管2的三维图。

参考图1，1为外部PTFE圆管，2为内部金属圆管，3为光纤光栅，4为凹槽，5为温度补偿圆柱体，6为镂空弹性金属片，7为阶梯型固定端构件，8为带有凹槽的金属圆柱体，9和10为镂空部分，11为传输光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。

本发明结构如图1所示，包括外部PTFE圆管1、内部金属圆管2、光纤光栅3、高分子材料温度补偿圆柱体5、镂空弹性金属片6、阶梯型固定端构件7、带有凹槽的金属圆柱体8和传输光纤11等。

当建筑物受到外来荷载时，建筑物中的钢筋发生形变，会带动焊接在钢筋上的钢筋计发生形变，体现为镂空弹性金属片6发生拉伸或者压缩变形，从而带动与之连接的光纤光栅发生拉压变形，于是就使光纤光栅反射的Bragg波长发生漂移，通过检测光纤光栅Bragg的波长变化就可以获得相应的应变信息。而当温度发生变化时，高分子温度补偿圆柱会发生温度形变，此形变可补偿光纤光栅发生的温度漂移。

其中应力或应变影响光纤光栅的Bragg波长变化是由于光纤周期的伸缩和光纤材料的弹光效应引起的。当建筑物发生形变时，导致光纤光栅波长发生变化。

而温度对其的影响主要是热光效应引起的光纤折射率的变化及热膨胀效应引起的光栅周期的改变。

根据热胀冷缩的原理，当温度发生变化时，温度补偿圆柱体5将膨胀或者收缩，于是作用于光纤光栅，通过调节温度补偿圆柱体5的各项参数，抵消温度对光纤光栅引起的Bragg波长变化，从而实现温度补偿。

通过上述原理和计算方法，可准确计算出温度补偿圆柱体的尺寸，并按照图纸中的构造进行装配即可。其中弹性金属片6与金属棒的连接为焊接，温度补偿高分子圆柱与弹性金属片6的连接为粘结，金属棒8与阶梯型固定端构件7的连接为顶丝固定，PTFE圆管与端构件7的连接为套接，金属圆管2与端构件7的连接为套接。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.光纤光栅钢筋计，其特征在于：包括光纤光栅、外部PTFE圆管、内部金属圆管、阶梯形固定端构件、镂空弹性金属片、带有凹槽的金属圆柱体、高分子材料温度补偿圆柱等,可监测建筑物内部钢筋应变并具有温度自补偿能力。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：镂空弹性金属片为不锈钢材质，该结构具有较好的拉压弹性，采用预张拉技术和低温焊接技术将光纤固定在镂空弹性金属片上。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：温度补偿圆柱体是用特殊的高分子材料制成的，具有较大的热膨胀系数。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：带有凹槽的金属圆柱体为不锈钢材质，凹槽用于穿越光纤，该凹槽金属圆柱体与镂空弹性金属片采用焊接固定为一体。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：阶梯型固定端构件是采用三层阶梯形状的圆柱体，在中间开一圆孔，可使内部带有凹槽的金属圆柱体穿入。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：内部金属圆管是与两端的阶梯型固定端构件松散套接，并且与阶梯型固定端构件的内层阶梯套接，用于保护光纤光栅钢筋计内部的弹性结构。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅钢筋计，其特征在于：外部PTFE圆管是与两端的固定端构件套接，并且与阶梯型固定端构件的外层阶梯套接，起到保护光纤光栅钢筋计内部结构的同时还具有一定的弹性变形能力。