CN106291852A - 一种内置光纤光栅的智能复合筋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤，所述光纤上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器的光栅段，所述光纤外套设有第一金属管，所述非光栅段外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述第一金属管的直径，所述光纤与所述第一金属管之间还设有填充物，所述光纤和填充物上粘有粘结剂，使所述光纤、填充物通过粘结剂与所述第一金属管粘结形成整体。本发明复合筋外套装的第一金属管套力学性能良好，生产简单，造价低廉，屈服性较好，有更好的抗剪性能，且弹性模量与钢绞线边丝等材料差异不大，可在使用中更好的协调受力变形，不易发生脱丝现象。同时本发明可同时测量温度和应变，并实现长距离多点测量，提高了复合筋的智能化。

Description

一种内置光纤光栅的智能复合筋

技术领域

本发明涉及钢绞线技术领域，具体涉及一种内置光纤光栅的智能复合筋。

背景技术

随着工业生产技术的发展，土木工程材料将沿具有高强、耐腐蚀、耐疲劳、高韧性和耐磨等综合性能的方向发展。但土木工程结构和基础设施，如混凝土结构、岩土结构、索类结构、拱桥的拱肋、钢丝拉索等在工作过程中由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等因素的耦合作用，不可避免地受到损坏和抗力减弱，从而造成抵抗自然灾害的能力或其他外界压力的能力降低，如得不到及时的监测和养护，将会造成严重的事故发生。因此对土木工程结构和基础设施的健康监测已成为了人们亟待解决的技术问题，对其研究具有重要意义。

土木工程结构的健康监测项目主要是应变和温度，传统的监测手段存在精度低、稳定性低、可操作性差、受干扰影响大、不能实现在线实时监测等缺点，很难达到有效监测的目的。光纤光栅传感器是一种优良的光敏元件，具有电绝缘性能好、稳定性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、集传输和传感于一体等优点，且还可对结构的应变进行高精度绝对测量。但光纤光栅传感器较脆弱，抗剪能力较差，应用过程中需特殊保护。因此将光纤光栅传感器应用于工程结构受力构件中，光纤光栅传感器的封装保护和布设工艺成为了关键。

公开号为CN201051164Y的中国实用新型专利公开了一种光纤光栅纤维增强复合智能筋，其包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分别的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光栅外套有塑料松套管，该塑料松套管与纤维增强筋连结。所述光纤光栅纤维增强复合智能筋中还一端悬空的串有温度补偿光纤光栅传感器，含温度补偿光纤光栅传感器的智能筋端部的外径小于智能筋的外径、其外套有第一金属管。但该光纤光栅纤维增强复合智能筋外未套设套管，导致其在生产制作过程中还需要通过模子，加温固化，完成整个过程需要一成套装置，制作过程复杂、成本高。此外，该光纤光栅纤维增强复合智能筋中的同根光纤只能串接20个数量内的光纤光栅传感器，未能形成分布式的任意位置的测量。且目前的裸光纤与分布式测量仪组成的测量回路，可测量任意位置的应力及温度。但每次测量，目前的分布式测量仪的应变和温度测量结果只是5cm长度的平均值，不能实现长距离分布式测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种内置光纤光栅的智能复合筋，该智能复合筋只需利用第一金属管即可成型，制作过程简单。第一金属管不仅能保护内部裸光纤，使其能很好的传输光信号，同时还能很好的与钢绞线边丝协调受力变形，不易发生脱丝现象，且本身具有很好的力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤，所述光纤上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器的光栅段，所述光纤外套设有第一金属管，所述非光栅段外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述第一金属管的直径，所述光纤与所述第一金属管之间还设有填充物，所述光纤、填充物及所述塑料松套管通过粘结剂与所述第一金属管粘结形成整体。

进一步地，还包括温度补偿光纤光栅传感器，所述温度补偿光纤光栅传感器设于所述光栅段并与所述光纤光栅传感器串连，所述温度补偿光纤光栅传感器外套有第二金属管，所述第二金属管的直径小于所述第一金属管的直径，所述温度补偿光纤光栅传感器的一端在所述第二金属管内悬空。

进一步地，所述第一金属管为不锈钢管或铜管。

进一步地，所述填充物为混杂纤维或混杂纤维/粒子混合物。

进一步地，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，所述混杂纤维/粒子混合物为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物或碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物。

进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物的制备过程为先将混杂纤维进行表面改性，改性后的混杂纤维与粒子混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物中混杂纤维与粒子的质量比为6-10:1。

进一步地，所述粘结剂为环氧树脂。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明将光纤光栅传感器和温度补偿光纤光栅传感器与钢绞线、混凝土梁、岩土、拱桥的拱肋、平行钢丝拉索等相结合，能有效的保护光纤和光纤传感器，实现长距离多点测量，较好地解决了将光纤传感器布设于钢绞线、混凝土梁、岩土、拱桥的拱肋、平行钢丝拉索中的防护问题和布设工艺问题；

2、本发明中套设的第一金属管力学性能良好，和一般的FRP筋相比，生产简单，造价低廉，屈服性较好，有更好的抗剪性能，且弹性模量与钢绞线边丝等材料差异不大，可在使用中更好的协调受力变形，从而提高光纤传感器的测量精度，且不易发生脱丝现象，增加钢绞线、混凝土梁、岩土结构、平行钢丝拉锁等的使用寿命；由于采用了第一金属管将第一金属管中心丝成型，因此，本发明采用该第一金属管中心丝扭绞成钢绞线时，直接将该第一金属管中心丝与边丝扭绞成钢绞线即可，无需再另设模子固定第一金属管中心丝，省略了后续加温固化的步骤，制作过程简单、成本低。

3、光纤光栅传感器中串有温度补偿光纤光栅传感器，使本发明在测量应变的同时还可测量温度，以排除环境温度变化对测量结果的影响；

4、光纤与混杂纤维丝/粒子混合物同时拉入第一金属管内，拉挤入管内时粘结环氧树脂，和第一金属管固化后形成整体。采用纤维与粒子结合形成的混杂纤维丝/粒子混合物，能保证光纤与第一金属管具有良好的整体性，不会产生空隙和脱落现象，使光纤与整个智能复合筋能协调变形，有利于提高测量精度，且增强了智能复合筋的压缩强度、弹性模量以及稳定性。同时，混杂纤维/粒子混合物和粘结的环氧树脂能很好的保护内部光纤不被外界环境腐蚀，保障光纤的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1一种内置光纤光栅的智能复合筋的结构示意图；

图2为本发明实施例2和实施例3一种内置光纤光栅的智能复合筋的结构示意图。

图中，1-光纤，2-光纤光栅传感器，2-1-温度补偿光纤光栅传感器，3-塑料松套管，4-填充物，5-第一金属管，6-第二金属管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述，但不是对本发明的限定。

实施例1：

如图1，一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤1，所述光纤1上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器2的光栅段，所述非光栅段外套有塑料松套管3，所述光纤1外套设有第一金属管5，所述塑料松套管3的直径小于所述第一金属管5的直径，所述光纤1与所述第一金属管5之间还填充有填充物4，在本实施例中，填充物4为混杂纤维/粒子混合物，光纤1、填充物4、塑料松套管3和第一金属管5通过粘结剂粘结形成整体，以形成能够同步变形的智能复合筋。

本发明实施例中，所采用的第一金属管5为不锈钢管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的第一金属管，如铜管。

本发明实施例中，所述填充物4选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物，其制备过程为先将碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与玻璃微珠按质量比为10:1混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

当将本实施例所述的内置光纤光栅的智能复合筋作为中心丝应用于钢绞线制成智能钢绞线时，其制作方法包括如下步骤：

(1)根据钢绞线的制作长度，确定光纤光栅传感器2在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤1中，计算所用光纤1的最小长度；

(2)根据钢绞线型号，计算所用第一金属管5的长度及直径；

(3)将多个塑料松套管3在光纤1的无光栅段；

(4)采用拖拉法将所述光纤1、塑料松套管3与填充物4一起埋入第一金属管5内，埋入时利用粘结剂环氧树脂使光纤1、塑料松套管3、填充物4和第一金属管5之间充分粘接形成整体，得到智能钢绞线的金属管中心丝；

(5)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝重新扭绞成钢绞线，即可制成智能钢绞线。

实施例2：

如图2，一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤1，所述光纤1上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器2的光栅段，所述非光栅段外套有塑料松套管3，所述光纤1外套设有第一金属管5，所述塑料松套管3的直径小于所述第一金属管5的直径，所述光纤1与所述第一金属管5之间还填充有填充物4，在本实施例中，填充物4为混杂纤维/粒子混合物，光纤1、填充物4、塑料松套管3和第一金属管5通过粘结剂粘结形成整体，以形成能够同步变形的智能复合筋。

本发明实施例中，所述光纤光栅传感器还串连有温度补偿光纤光栅传感器2-1，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1外套有第二金属管6，且所述第二金属管6位于所述第一金属管5内，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1的一端在所述第二金属管6内悬空，使其可自由变形，可用于感受温度信息，测量温度，作温度补偿。

本发明实施例中，所采用的第一金属管5为铜管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的第一金属管。

本发明实施例中，所述填充物4选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物，其制备过程为先将碳纤维和玻璃纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与玻璃微珠按质量比为6:1混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

当将本实施例所述的内置光纤光栅的智能复合筋作为中心丝应用于钢绞线制成智能钢绞线时，其制作方法包括如下步骤：

(1)根据钢绞线的制作长度，确定光纤光栅传感器2、温度补偿光纤光栅传感器2-1在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤1中，计算所用光纤1的最小长度；

(2)根据钢绞线型号，计算所用第一金属管5的长度及直径；

(3)将多个塑料松套管3套在光纤1的无光栅段，将第二金属管6套在温度补偿光纤光栅传感器2-1上，同时使温度补偿光纤光栅传感器2-1的一端在所述第二金属管6内悬空；

(4)采用拖拉法将所述光纤1、塑料松套管3、第二金属管6与填充物4一起埋入第一金属管5内，埋入时利用粘结剂环氧树脂使光纤1、塑料松套管3、填充物4、第二金属管6和第一金属管5之间充分粘接形成整体，得到智能钢绞线的金属管中心丝；

(5)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝6重新扭绞成钢绞线，即可制成含光纤光栅传感器的智能钢绞线。

实施例3：

如图2，一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤1，所述光纤1上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器2的光栅段，所述非光栅段外套有塑料松套管3，所述光纤1外套设有第一金属管5，所述塑料松套管3的直径小于所述第一金属管5的直径，所述光纤1与所述第一金属管5之间还填充有填充物4，在本实施例中，填充物4为混杂纤维，光纤1、填充物4、塑料松套管3和第一金属管5通过粘结剂粘结形成整体，以形成能够同步变形的智能复合筋。

本发明实施例中，所述光纤光栅传感器还串连有温度补偿光纤光栅传感器2-1，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1外套有第二金属管6，且所述第二金属管6位于所述第一金属管5内，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1的一端在所述第二金属管6内悬空，使其可自由变形，可用于感受温度信息，测量温度，作温度补偿。

本发明实施例中，所采用的第一金属管5为不锈钢管，当然其他实施例中还可采用其他材料做成的第一金属管。

本发明实施例中，所述填充物4选自碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维的混合物。

当将本实施例所述的内置光纤光栅的智能复合筋作为中心丝应用于钢绞线制成智能钢绞线时，其制作方法与实施例2相同，在此不再复述。

实施例4

本发明实施例中除混杂纤维/粒子混合物中的混杂纤维与二氧化硅颗粒的质量比改为8:1外，其他均与实施例2相同。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种内置光纤光栅的智能复合筋，包括光纤，所述光纤上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器的光栅段，其特征在于，所述光纤外套设有第一金属管，所述非光栅段外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述第一金属管的直径，所述光纤与所述第一金属管之间还设有填充物，所述光纤、填充物及所述塑料松套管通过粘结剂与所述第一金属管粘结形成整体。

2.根据权利要求1所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，还包括温度补偿光纤光栅传感器，所述温度补偿光纤光栅传感器设于所述光栅段并与所述光纤光栅传感器串连，所述温度补偿光纤光栅传感器外套有第二金属管，所述第二金属管的直径小于所述第一金属管的直径，所述温度补偿光纤光栅传感器的一端在所述第二金属管内悬空。

3.根据权利要求1所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述第一金属管为不锈钢管或铜管。

4.根据权利要求1所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述填充物为混杂纤维或混杂纤维/粒子混合物。

5.根据权利要求4所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，所述混杂纤维/粒子混合物为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物或碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物。

6.根据权利要求4所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述混杂纤维/粒子混合物的制备过程为先将混杂纤维进行表面改性，改性后的混杂纤维与粒子混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

7.根据权利要求4所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述混杂纤维/粒子混合物中混杂纤维与粒子的质量比为6-10:1。

8.根据权利要求1所述的内置光纤光栅的智能复合筋，其特征在于，所述粘结剂为环氧树。