CN107101592A - 一种防屈曲光纤光栅应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防屈曲光纤光栅应变传感器及其制备方法，传感器包括中心传感件和二传感器基座，中心传感件包括FRP智能筋、防屈曲约束组件和锚固组件，防屈曲约束组件套设于FRP智能筋上且二者之间留有设定间隔，锚固组件用于固定FRP智能筋和防屈曲约束组件之间的位置与间隔；每个传感器基座包括基座本体和连接紧固件，基座本体包括左基座和右基座，左基座和右基座的之间形成安装通孔，锚固组件设置于安装通孔内，连接紧固件分别与左基座和右基座可拆卸式连接。本发明采用中心传感件与传感器基座分离的方式，便于安装和拆卸，设计防屈曲约束组件，从而达到防弯曲效果，提高结构的抗压量程及抗疲劳性能，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种防屈曲光纤光栅应变传感器及其制备方法。
背景技术
光纤光栅应变传感器是以光纤布拉格光栅为传感基元研制的新型传感器，以其无源、体积小、抗电磁干扰、耐腐性强、复用能力强等优点广泛应用于工业控制、土木结构、消防安防以及能源化工等领域。光纤布拉格光栅(FBG)作为应变传感器在实际工程应用中会同时受到温度与应变的影响，不同的封装材料和封装方式对光纤光栅的具体测量性能都有较大影响。
目前对于传统光纤应变传感器，整体抗压性能不强，负量程小，易弯曲导致传感器整体性能失稳，是现有封装技术存在的不足之处。传统光纤应变传感器，中心传感件由光纤光栅与金属梁构成，光纤光栅施加一定预应力张拉后借助特定胶粘结于金属梁上，外加金属保护管，但由于传感中心件与保护外壳间存在较大间隙，未起到约束效果从而导致传感器在受压时易弯曲。对于光纤应变传感器，如果减小传感中心件与保护外壳间隙，可达到良好的约束效果，保证传感器受压时的整体稳定性。但存在以下缺点：裸光纤光栅与金属保护壳直接接触，组装时两者易发生摩擦导致裸光纤光栅损坏；裸光纤光栅与金属保护壳间应留有微小间隙以满足传感器受压时中心传感件泊松变形的需要，但此间隙应严格控制其精度，以保证传感器有良好的性能，但在实际操作中，间隙的精度难以把控，且难以实现。
因此，亟需一种约束效率高、间隙可控、结构简单、制作方便的光纤光栅应变传感器，对于增大传感器抗压量程具有重要的实际意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种防屈曲光纤光栅应变传感器及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种防屈曲光纤光栅应变传感器，包括：
中心传感件，包括FRP智能筋、防屈曲约束组件和锚固组件，防屈曲约束组件套设于FRP智能筋上且二者之间留有设定间隔，锚固组件套设于FRP智能筋和防屈曲约束组件的轴向两端用于固定FRP智能筋和防屈曲约束组件的位置；
二传感器基座，每个传感器基座包括基座本体和连接紧固件，基座本体包括左基座和右基座，左基座和右基座的之间形成安装通孔，锚固组件设置于安装通孔内，连接紧固件分别与左基座和右基座可拆卸式连接。
本发明相较于现有技术，采用中心传感件与传感器基座分离的方式，便于安装和拆卸，锚固组件控制防屈曲约束组件和FRP智能筋之间的位置与间隔及间隔，从而达到防弯曲效果，提高结构的抗压及抗疲劳性能，增大量程、延长使用寿命。
作为优选的方案，上述的FRP智能筋包括光纤光栅、以及包覆于光纤光栅表面的玻璃纤维，FRP智能筋的轴向两端的圆周面上形成定位凸环。
采用上述优选的方案，光纤光栅被玻璃纤维及环氧树脂复合物全方位紧密裹覆，避免了传统封装形式中钢管与光纤光栅直接接触，而受到局部摩擦断裂的问题，不仅能够很好的保护光纤光栅，而且可以形成智能感知层，从而准确的传递外界被测量。
作为优选的方案，上述的防屈曲约束组件包括防屈曲约束钢管和O型圈，防屈曲约束钢管轴向两端的圆周面上设有定位凹槽，O型圈套设于定位凹槽内，防屈曲约束钢管套设于FRP智能筋上。
采用上述优选的方案，防屈曲约束钢管为无缝钢管，在对FRP智能筋形成有力约束的同时隔离外部碰撞，起到保护作用。
作为优选的方案，上述的防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔距离为0.5-1mm。
采用上述优选的方案，限定防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔，有效控制FRP智能筋轴向受压弯曲，增大受压量程，提高测试精度。
作为优选的方案，上述的锚固组件包括锚固外筒和端帽，端帽上设有端帽轴向腔体，端帽的轴向两端设有左端帽定位套和右端帽定位套，右端帽定位套设置于锚固外筒的左端，FRP智能筋的轴向两端依次穿设于锚固外筒、右端帽定位套、端帽轴向腔体和左端帽定位套内，防屈曲约束组件的轴向两端设置于锚固外筒内且O型圈连接设置于二者之间。
采用上述优选的方案，通过O型圈来填补防屈曲约束钢管与锚固外筒之间的间隙，固定位置，防止滑动。
作为优选的方案，上述的锚固组件还包括夹片，夹片设置于FRP智能筋和锚固外筒之间。
采用上述优选的方案，通过夹片可实现FRP智能筋与金属件的无胶化连接。
作为优选的方案，上述的连接紧固件为紧固螺栓或紧固螺丝。
采用上述优选的方案，连接紧固件为紧固螺栓或紧固螺丝，安装便捷，安装效率高，且便于中心传感件进行更换。
作为优选的方案，上述的左基座上设有燕尾形连接长槽，右基座上设有燕尾形连接凸块，燕尾形连接凸块和燕尾形连接长槽相匹配。
采用上述优选的方案，左基座和右基座之间通过燕尾形长槽和燕尾形凸块进行连接，便于安装。
作为优选的方案，还设有安装连接件，安装连接件设置于传感器基座上。
采用上述优选的方案，增加安装连接件，便于传感器基座与待测产品之间的安装。
本发明还提供一种防屈曲光纤光栅应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅和玻璃纤维及环氧树脂复合物通过拉挤形成FRP智能筋，然后在FRP智能筋轴向两端的圆周面上制作形成定位凸环；
S2、采用不锈钢圆管制作防屈曲约束钢管，并在防屈曲约束钢管轴向两端的圆周面上刻制形成定位凹槽，然后将O型圈嵌入定位凹槽内；
S3、在FRP智能筋的轴向一端先安装上锚固组件，然后将FRP智能筋的另一端穿过防屈曲约束钢管后安装于另一锚固组件上，同时将防屈曲约束钢管的轴向两端安装于锚固外筒内，从而整体形成中心传感件；
S4、将中心传感件穿入传感器基座的安装通孔内，从而实现防屈曲光纤光栅应变传感器的制备和组装。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的中心传感件的结构示意图。
图3为本发明的中心传感件的A-A向结构剖视图。
图4为本发明的FRP智能筋的结构示意图。
图5为本发明的FRP智能筋结构的B-B向剖视图。
图6为本发明的防屈曲约束组件的结构示意图。
图7为本发明的锚固组件的结构示意图。
图8为本发明的锚固组件的结构剖视图。
图9为本发明的传感器基座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，如图1至图9所示，在本发明的其中一种实施方式中提供一种防屈曲光纤光栅应变传感器，包括：
中心传感件1，包括FRP智能筋1-1、防屈曲约束组件1-2和锚固组件1-3，防屈曲约束组件1-2套设于FRP智能筋1-1上且二者之间留有设定间隔，锚固组件1-3套设于FRP智能筋1-1和防屈曲约束组件1-2的轴向两端用于固定FRP智能筋1-1和防屈曲约束组件1-2的位置；
二传感器基座2，每个传感器基座包括基座本体2-1和连接紧固件，基座本体2-1包括左基座和右基座，左基座和右基座的之间形成安装通孔，锚固组件设置于安装通孔内，连接紧固件包括螺杆2-2和螺母2-3，螺杆2-2穿设于左基座和右基座上，螺母2-3螺纹连接于螺杆2-2上。
本实施方式相较于现有技术，采用中心传感件与传感器基座分离的方式，便于安装和拆卸，锚固组件控制防屈曲约束组件和FRP智能筋之间的位置与间隔，从而达到防弯曲效果，提高结构的抗压量程及抗疲劳性能，延长使用寿命。
如图4至图5所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的FRP智能筋1-1包括光纤光栅1-1-1、以及包覆于光纤光栅表面的玻璃纤维1-1-2，FRP智能筋1-1的轴向两端的圆周面上形成定位凸环。
采用上述优选的方案，光纤光栅被玻璃纤维全方位紧密裹覆，避免了传统封装形式中钢管与光纤光栅直接接触，而受到局部摩擦断裂的问题，不仅能够很好的保护光纤光栅，而且可以形成智能感知层，从而准确的传递外界被测量。
如图6所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的防屈曲约束组件1-2包括防屈曲约束钢管1-2-1和O型圈1-2-2，防屈曲约束钢管1-2-1轴向两端的圆周面上设有定位凹槽，O型圈1-2-2套设于定位凹槽内，防屈曲约束钢管1-2-1套设于FRP智能筋1-1上。
采用上述优选的方案，防屈曲约束钢管为无缝钢管，在对FRP智能筋形成有力约束的同时隔离外部碰撞，起到保护作用。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔距离为0.5-1mm，本实施方式可选0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.9mm或1mm。
采用上述优选的方案，限定防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔，有效控制FRP智能筋轴向受压弯曲，增大受压量程，提高测试精度。
如图7至图8所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的锚固组件1-3包括锚固外筒1-3-1和端帽1-3-3，端帽1-3-3上设有端帽轴向腔体，端帽1-3-3的轴向两端设有左端帽定位套和右端帽定位套，右端帽定位套设置于锚固外筒1-3-1的左端，FRP智能筋1-1的轴向两端依次穿设于锚固外筒、右端帽定位套、端帽轴向腔体和左端帽定位套内，防屈曲约束组件的轴向两端设置于锚固外筒1-3-1内且O型圈1-2-2连接设置于二者之间。
采用上述优选的方案，通过O型圈1-2-2来填补防屈曲约束钢管与锚固外筒之间的间隙，固定位置，防止滑动。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的锚固组件还包括夹片1-3-2，夹片1-3-2设置于FRP智能筋和锚固外筒1-3-1之间。
采用上述优选的方案，通过夹片，可调整防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的连接紧固件为紧固螺栓或紧固螺丝。
采用上述优选的方案，连接紧固件为紧固螺栓或紧固螺丝，安装便捷，安装效率高，且便于中心传感件进行更换。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的左基座上设有燕尾形连接长槽，右基座上设有燕尾形连接凸块，燕尾形连接凸块和燕尾形连接长槽相匹配。
采用上述优选的方案，左基座和右基座之间通过燕尾形长槽和燕尾形凸块进行连接，便于安装。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，还设有安装连接件，安装连接件设置于传感器基座上。
采用上述优选的方案，增加安装连接件，便于传感器基座与待测产品之间的安装。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，本实施方式还提供一种防屈曲光纤光栅应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅和玻璃纤维通过拉挤形成FRP智能筋，然后在FRP智能筋轴向两端的圆周面上制作形成定位凸环；
S2、采用不锈钢圆管制作防屈曲约束钢管，并在防屈曲约束钢管轴向两端的圆周面上刻制形成定位凹槽，然后将O型圈嵌入定位凹槽内；
S3、在FRP智能筋的轴向一端先安装上锚固组件，然后将FRP智能筋的另一端穿过防屈曲约束钢管后安装于另一锚固组价上，同时将防屈曲约束钢管的轴向两端安装于锚固外筒内，从而整体形成中心传感件；
S4、将中心传感件穿入传感器基座的安装通孔内，从而实现防屈曲光纤光栅应变传感器的制备和组装。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，本实施方式还提供一种防屈曲光纤光栅应变传感器的布设方法，该布设方法是：
在待测对象上标出需要布设传感器的位置，画出传感器基座的安装点；
根据待测对象的特性，传感器基座可选择用螺栓或焊接方式固定于待测结构之上；
固定好传感器基座后，将中心传感件从一端穿入传感器基座的安装通孔，调节中心传感件两端位于安装通孔内的位置，然后将传感器基座的连接紧固件完全上紧；
将传感器的传输线按要求引出连接至解调设备，即可对被测对象进行监测。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，包括：
中心传感件，包括FRP智能筋、防屈曲约束组件和锚固组件，防屈曲约束组件套设于FRP智能筋上且二者之间留有设定间隔，锚固组件套设于FRP智能筋和防屈曲约束组件的轴向两端用于固定FRP智能筋和防屈曲约束组件的位置；
二传感器基座，每个传感器基座包括基座本体和连接紧固件，基座本体包括左基座和右基座，左基座和右基座的之间形成安装通孔，锚固组件设置于安装通孔内，连接紧固件分别与左基座和右基座可拆卸式连接。
2.根据权利要求1所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，FRP智能筋包括光纤光栅、以及包覆于光纤光栅表面的玻璃纤维及环氧树脂复合物，FRP智能筋的轴向两端的圆周面上形成定位凸环。
3.根据权利要求2所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，防屈曲约束组件包括防屈曲约束钢管和O型圈，防屈曲约束钢管轴向两端的圆周面上设有定位凹槽，O型圈套设于定位凹槽内，防屈曲约束钢管套设于FRP智能筋上。
4.根据权利要求3所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，防屈曲约束钢管和FRP智能筋之间的间隔距离为0.5-1mm。
5.根据权利要求3所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，锚固组件包括锚固外筒和端帽，端帽上设有端帽轴向腔体，端帽的轴向两端设有左端帽定位套和右端帽定位套，右端帽定位套设置于锚固外筒的左端，FRP智能筋的轴向两端依次穿设于锚固外筒、右端帽定位套、端帽轴向腔体和左端帽定位套内，防屈曲约束组件的轴向两端设置于锚固外筒内且O型圈连接设置于二者之间。
6.根据权利要求5所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，锚固组件还包括夹片，夹片设置于定位FRP智能筋和锚固外筒之间。
7.根据权利要求6所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，连接紧固件为紧固螺栓或紧固螺丝。
8.根据权利要求7所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，左基座上设有燕尾形连接长槽，右基座上设有燕尾形连接凸块，燕尾形连接凸块和燕尾形连接长槽相匹配。
9.根据权利要求8所述的防屈曲光纤光栅应变传感器，其特征在于，还设有安装连接件，安装连接件设置于传感器基座上。
10.一种防屈曲光纤光栅应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将光纤光栅和玻璃纤维通过拉挤形成FRP智能筋，然后在FRP智能筋轴向两端的圆周面上制作形成定位凸环；
S2、采用不锈钢圆管制作防屈曲约束钢管，并在防屈曲约束钢管轴向两端的圆周面上刻制形成定位凹槽，然后将O型圈嵌入定位凹槽内；
S3、在FRP智能筋的轴向一端先安装上锚固组件，然后将FRP智能筋的另一端穿过防屈曲约束钢管后安装另一锚固组件，同时将防屈曲约束钢管的轴向两端安装于锚固外筒内，从而整体形成中心传感件；
S4、将中心传感件穿入传感器基座的安装通孔内，从而实现防屈曲光纤光栅应变传感器的制备和组装。
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