CN107121227A - 基于同轴电缆法布里‑珀罗干涉传感的智能钢绞线、制备方法及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于同轴电缆法布里‑珀罗干涉传感的智能钢绞线、制备方法及其监测方法，属于工程结构安全监测技术领域。智能钢绞线包括FRP‑CCFPI智能筋、钢绞线外丝、高延性金属箔片和CCFPI传感器，至少一层高延性金属箔片包裹在FRP‑CCFPI智能筋表面，FRP‑CCFPI智能筋与钢绞线外丝捻线成型，CCFPI传感器设置在FRP‑CCFPI智能筋内并从两端穿出。本发明具有智能感知特性，测试量程大，可实现分布式测试，稳定性和耐久性好，且布设方便，成本低廉等优点，可以解决钢绞线从服役到失效破坏的全过程应力监测问题。
Description
技术领域
本发明属于工程结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线、制备方法及其监测方法。
背景技术
钢绞线广泛应用于预应力混凝土、桥梁拉索(如斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆、悬索桥和索道的缆索)、岩土和边坡支护的锚杆及大跨结构的索网等结构中。由于设计构造、环境腐蚀、疲劳积累等原因，钢绞线容易生锈腐蚀和疲劳损伤，而钢绞线恰恰又是这些结构的主要承力部件，关乎整个结构的安全与运营状态，要及时发现失效先兆预防突发事故就必须对钢绞线服役期间的应力应变状态进行全寿命过程的监测。早期用于钢绞线局部应力监测的手段主要包括千斤顶油压表、电测试传感器和磁通量传感器及加速度间接测试等技术，这些传统方法存在耐久性和稳定性差、可操作性差、易受环境噪声干扰等缺点，难以实现对钢绞线应力的长期实时在线监测。随着光纤传感技术的发展，国内外许多学者应用光纤传感技术对钢绞线应力监测进行了研究，其中欧进萍、周智等人在这方面进行了较为系统的研究，他们将光纤光栅(OFBG)嵌入纤维增强树脂(FRP)中制作成FRP-OFBG智能筋，再与钢绞线复合研发出FRP-OFBG智能钢绞线。该智能钢绞线可实现局部应力的高精度监测，但无法测到全尺度的应力分布情况。随后基于布里渊分布式传感技术，将光纤(OF)嵌入FRP制作成FRP-OF智能筋，再与钢绞线复合研发出FRP-OF智能钢绞线。该智能钢绞线弥补了FRP-OFBG智能钢绞线的不足，可实现对钢绞线应力的全尺度分布式监测。这两种光纤传感型智能钢绞线为实现钢绞线应力状态的在线实时监测提供了良好的技术手段，但受光纤本身材质的制约，它们的测试量程有限，难以进行钢绞线失效破坏全过程的应力监测。
近年来，基于同轴电缆与光纤具有相同电磁场理论机制的认识，Hai Xiao、周智等人在同轴电缆上发展了光纤用作感知元件的机理，研制出同轴电缆法布里-珀罗干涉(CCFPI)传感器，该传感器最为显著的特点是结实耐用，可实现分布式、大应变测量。针对光纤传感型智能钢绞线量程不足的问题，将CCFPI 传感器与FRP复合，制作出FRP-CCFPI智能筋，然后将其替换钢绞线中丝，研制FRP-CCFPI智能钢绞线。CCFPI传感器作为感知元件，监测FRP-CCFPI智能筋的轴向应变分布规律及其随荷载变化的关系，可得到FRP-CCFPI智能钢绞线的应力状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有智能感知特性，测试量程大，可分布测试，稳定性和耐久性好，且布设方便，成本低廉的基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线，以解决钢绞线从服役到失效破坏的全过程应力监测问题。
本发明的技术方案：
基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线，包括CCFPI传感器1、高延性金属箔片2、FRP-CCFPI智能筋3和钢绞线外丝4，至少一层高延性金属箔片2包裹在FRP-CCFPI智能筋3表面，FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4捻线成型，FRP-CCFPI智能筋3位于钢绞线外丝4中间，CCFPI传感器1贯穿于 FRP-CCFPI智能筋3内并从两端穿出；
所述的CCFPI传感器1为直径为0.3-0.9mm的同轴电缆5，其上设有n个(n ≥2)反射点6；反射点6处同轴电缆5外套装有金属套管7，反射点6通过挤压金属套管7变形而成；同轴电缆5一端连接矢量网络分析仪，另一端连接负载；挤压反射点6处的金属套管7，挤压变形越大反射点的反射系数越大，采用矢量网络分析仪观察反射点的反射系数，控制各个反射点6的反射系数保持一致；定义CCFPI传感器的相邻两个反射点间的区段为单标距，所有反射点构成的区段为CCFPI传感器的传感段。
基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线的制作方法，步骤如下：
A.制作FRP-CCFPI智能筋3
将CCFPI传感器1与浸润环氧树脂的纤维一起送入拉拔模具，通过挤拉成型工艺制作成内部贯穿有CCFPI传感器的FRP-CCFPI智能筋；其中，FRP-CCFPI 智能筋的长度大于钢绞线外丝4的长度；
B.制作FRP-CCFPI智能钢绞线
在FRP-CCFPI智能筋表面包裹一层以上高延性金属箔片2，用FRP-CCFPI智能筋替换钢绞线的中丝，即为FRP-CCFPI智能钢绞线；
用基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线FRP-CCFPI智能钢绞线的监测方法，步骤如下：
A.单标距CCFPI传感器应变测量方法
1)采用矢量网络分析仪测得CCFPI传感器1频域S11反射频谱，首先对S11反射频谱进行线性调频Z逆变换或傅里叶逆变换，得到CCFPI传感器的时域信息；然后利用矢量网络分析仪的时域门选通功能选取相邻两个反射点，再通过线性调频Z变换或傅里叶变换将选通后的时域信号转换到频域，得到CCFPI传感器的相邻两个反射点的干涉频谱；
2)选取干涉频谱上的某谐振频点作为监测频点，追踪监测频点的偏移量，根据公式ε＝Δfm/fm，则解算出应变值；
其中，Δfm为第m个谐振频点偏移量，fm为第m个谐振频点；
B.CCFPI传感器分布式应变测量方法
CCFPI传感器分布式应变测量方法是基于步骤A中S11反射频谱的时频转换算法和应变解算方法实现的，通过改变时域选通门位置实现单标距的切换，时域选通门依次移动并循环往复进而实现CCFPI传感器所有标距的应变解算；
C.智能钢绞线的分布式应变测量方法
通过锚具固定智能钢绞线两端于工程中，对智能钢绞线监测时，由内嵌的CCFPI传感器1测得的应变值得到FRP-CCFPI智能筋3的轴向应变分布，钢绞线外丝4在锚固张拉过程中发生扭转，使FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4之间的握裹力大大增强，从而构件整体协同变形，FRP-CCFPI智能筋3感知的应变即为钢绞线的应变，进而得到钢绞线的内力全分布情况。
本发明的有益效果：本发明的FRP-CCFPI智能钢绞线结合FRP材料的高耐久、线性本构、模量较高等特性和CCFPI传感器的分布式超大应变感知特性 (>15％)，其最突出的优点是：具有大应变的分布式测试能力，可实现钢绞线从正常服役直至破坏失效全历程的应力应变状态监测，克服了传统电测类和光纤传感类智能钢绞线应变测试量程有限的不足。该智能钢绞线制作过程简单、成本低，特别适宜产业化生产。
附图说明
图1是本发明的FRP-CCFPI智能钢绞线结构示意图。
图2是本发明的内嵌CCFPI传感器结构示意图。
图3是本发明的FRP-CCFPI智能筋结构示意图。
图4(a)是本发明的单标距下S11反射频谱时频转换算法示意图。
图4(b)是本发明的分布式应变测试方法示意图。
图中：1CCFPI传感器；2高延性金属箔片；3FRP-CCFPI智能筋； 4钢绞线外丝；5同轴电缆；6反射点；7金属套管。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
结合图1，本实施例的FRP-CCFPI智能钢绞线，包括CCFPI传感器1、高延性金属箔片2、FRP-CCFPI智能筋3和钢绞线外丝4，至少一层高延性金属箔片 2包裹在FRP-CCFPI智能筋3表面，FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4捻线成型，CCFPI传感器贯穿于FRP-CCFPI智能筋内并从两端穿出；制作方法如下：
1)在FRP-CCFPI智能筋3上螺旋缠绕一层或几层高延性金属箔片，增加 FRP-CCFPI智能筋3和钢绞线外丝4的握裹力，使得FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4协同变形良好；
2)取出钢绞线中丝，将包裹高延性金属箔片的FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4捻线成型，即制作出FRP-CCFPI智能钢绞线。
结合图2，所述的CCFPI传感器1包含同轴电缆5和在电缆局部制作的反射点6，其中反射点6采用金属套管7压制而成，制作方法如下：
1)采用直径为0.81mm的同轴电缆制作CCFPI传感器，将n个直径为1.0mm 的金属套管按照确定的CCFPI传感器反射点位置套装在同轴电缆外部，同轴电缆一端连接矢量网络分析仪，另一端连接负载；
2)用液压钳挤压金属套管，带动电缆发生变形，同时观察矢量网络分析仪的时域信号，使各个反射点的反射系数基本一致，到此制作成CCFPI传感器。
结合图3，所述的FRP-CCFPI智能筋3包括位于轴心的CCFPI传感器1和周边包裹的FRP 8。制作方法为：将CCFPI传感器1与浸润环氧树脂的纤维一起送入拉拔模具，通过挤拉成型工艺制作成内部贯穿有CCFPI传感器的FRP-CCFPI 智能筋；其中，FRP-CCFPI智能筋的长度大于钢绞线外丝4的长度；
本实施例的FRP-CCFPI智能钢绞线应力应变分布由内嵌于智能筋中的CCFPI 传感器感知，结合图4，其应力应变分布式测试方法如下：
1)如图4(a)，CCFPI传感器的单标距的干涉频谱由矢量网络分析仪通过在时域加选通门后经时频转换算法测得，选取干涉频谱上的某谐振频点作为监测频点，追踪该频点的偏移量，根据公式ε＝Δfm/fm则可解算出应变值，其中Δfm为第m个谐振频点偏移量，fm为第m个谐振频点。
2)如图4(b)，CCFPI传感器的分布式应变测量方法是通过快速地改变时域选通门位置实现多个单标距之间的切换，如T1时刻时域选通门选取第1个单标距的时域信号，Ti时刻时域选通门移动到第i个单标距，时域选通门依次移动并循环往复进而实现CCFPI传感器的分布式应变解算。
3)CCFPI传感器与FRP-CCFPI智能筋及智能钢绞线整体协同变形，CCFPI 传感器感知的应变即为钢绞线的应变，进而得到钢绞线的内力全分布情况。
Claims (3)
1.一种基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线，其特征在于，所述的智能钢绞线包括CCFPI传感器(1)、高延性金属箔片(2)、FRP-CCFPI智能筋(3)和钢绞线外丝(4)，至少一层高延性金属箔片(2)包裹在FRP-CCFPI智能筋(3)表面，FRP-CCFPI智能筋(3)与钢绞线外丝(4)捻线成型，FRP-CCFPI智能筋(3)位于钢绞线外丝(4)中间，CCFPI传感器(1)贯穿于FRP-CCFPI智能筋(3)内并从两端穿出；
所述的CCFPI传感器(1)为直径为0.3-0.9mm的同轴电缆(5)，其上设有n≥2个反射点(6)；反射点(6)处同轴电缆(5)外套装有金属套管(7)，反射点(6)通过挤压金属套管(7)变形而成；同轴电缆(5)一端连接矢量网络分析仪，另一端连接负载；挤压反射点(6)处的金属套管(7)，挤压变形越大反射点的反射系数越大，采用矢量网络分析仪观察反射点的反射系数，控制各个反射点(6)的反射系数保持一致；定义CCFPI传感器(1)的相邻两个反射点间的区段为单标距，所有反射点构成的区段为CCFPI传感器(1)的传感段。
2.一种权利要求1所述的基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线的制作方法，其特征在于，步骤如下：
A.制作FRP-CCFPI智能筋(3)
将CCFPI传感器(1)与浸润环氧树脂的纤维一起送入拉拔模具，通过挤拉成型工艺制作成内部贯穿有CCFPI传感器(1)的FRP-CCFPI智能筋(3)；其中，FRP-CCFPI智能筋(3)的长度大于钢绞线外丝(4)的长度；
B.制作FRP-CCFPI智能钢绞线
在FRP-CCFPI智能筋(3)表面包裹一层以上高延性金属箔片(2)，用FRP-CCFPI智能筋(3)替换钢绞线的中丝，即为FRP-CCFPI智能钢绞线。
3.用基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线FRP-CCFPI智能钢绞线的监测方法，其特征在于，步骤如下：
A.单标距CCFPI传感器应变测量方法
1)采用矢量网络分析仪测得CCFPI传感器(1)频域S11反射频谱，首先对S11反射频谱进行线性调频Z逆变换或傅里叶逆变换，得到CCFPI传感器(1)的时域信息；然后利用矢量网络分析仪的时域门选通功能选取相邻两个反射点，再通过线性调频Z变换或傅里叶变换将选通后的时域信号转换到频域，得到CCFPI传感器(1)的相邻两个反射点的干涉频谱；
2)选取干涉频谱上的某谐振频点作为监测频点，追踪监测频点的偏移量，根据公式ε＝Δfm/fm，则解算出应变值；
其中，Δfm为第m个谐振频点偏移量，fm为第m个谐振频点；
B.CCFPI传感器(1)分布式应变测量方法
CCFPI传感器(1)分布式应变测量方法是基于步骤A中S11反射频谱的时频转换算法和应变解算方法实现的，通过改变时域选通门位置实现单标距的切换，时域选通门依次移动并循环往复进而实现CCFPI传感器所有标距的应变解算；
C.智能钢绞线的分布式应变测量方法
通过锚具固定智能钢绞线两端于工程中，对智能钢绞线监测时，由内嵌的CCFPI传感器(1)测得的应变值得到FRP-CCFPI智能筋(3)的轴向应变分布，钢绞线外丝(4)在锚固张拉过程中发生扭转，使FRP-CCFPI智能筋(3)与钢绞线外丝(4)之间的握裹力大大增强，从而构件整体协同变形，FRP-CCFPI智能筋(3)感知的应变即为钢绞线的应变，进而得到钢绞线的内力全分布情况。
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