CN109901272A - 一种多芯光纤智能复合筋、制备方法以及安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯光纤智能复合筋、制备方法以及安全监测方法，包括多根纤维增强塑料筋以及包覆在多根纤维增强塑料筋之外的铠装线，多根纤维增强塑料筋中至少一根替换为光纤纤维复合拉拔筋，光纤纤维复合拉拔筋包括多芯光纤和包裹在多芯光纤四周的增强纤维通过热固性树脂熔融相连制成，光纤纤维复合拉拔筋和纤维增强塑料筋浸泡环氧树脂后一起送入成型设备，进行拉拔成型多芯光纤智能复合筋，首先利用多芯光纤测出温度分布，然后利用温度分布补偿测出应变和振动信息，综合判断安全状态。本发明兼具多芯光纤与纤维增强塑料的优点，轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀以及传感精度高。能较准确测出本身安全状态，大大提高了多芯光纤的耐久性。

Description

一种多芯光纤智能复合筋、制备方法以及安全监测方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，涉及一种结构智能监测传感元件，具体涉及一种具有土木工程结构受力与监测双重功能的多芯光纤智能复合筋。

背景技术

纤维增强塑料是以连续纤维组成的复合材料，这种连续纤维首先浸渍在用于粘合纤维的聚合物中，然后加工成所需要的形状。根据纤维种类的不同，纤维增强塑料可分为碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维增强塑料及混杂增强塑料等。纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性。其中，纤维增强塑料棒材可做成普通钢筋的形状，被认为是钢筋的一种可能的替代材料。碳纤维原丝纤维方向的抗拉强度可以达钢材的2～3倍，并具有较高的防磁和防辐射性能，曾在军工生产中用于隐形飞机、防磁和防辐射工程。纤维增强塑料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术在一些服役环境、耐久性、抗疲劳等方面要求高的重要工程结中被广泛应用。

专利(纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋)(CN 1208653C)将光纤光栅与纤维增强塑料相复合，制成纤维增强塑料-光纤光栅传感筋，克服了纤维增强塑料的自感知非线性问题，而纤维增强塑料是光纤光栅的一种优良封装保护，克服了裸光纤光栅难以适应钢筋混凝土结构粗放式施工的要求，大大提高了光纤光栅的耐久性。然而，一根单芯光纤光栅只能进行应变的测量，监测位置其他参量的测量则需要分别布设不同类型的其他传感器(例如温度计、加速度传感器等)，增大了多参量监测系统的复杂程度和监测成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单、使用方便，既可以替代或部分替代钢筋作为受力构件，也具备多参量智能传感特性的纤维增强塑料-多芯光纤复合传感筋。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种多芯光纤智能复合筋，包括多根纤维增强塑料筋以及包覆在多根纤维增强塑料筋之外的铠装线，其特征在于：所述多根纤维增强塑料筋中至少一根替换为包含多芯光纤的光纤纤维复合拉拔筋，所述光纤纤维复合拉拔筋包括多芯光纤和包裹在多芯光纤四周的增强纤维，所述多芯光纤和其四周的增强纤维之间通过热固性树脂固定相连。

作为改进，所述多根纤维增强塑料筋之间以及纤维增强塑料筋与光纤纤维复合拉拔筋之间也通过热固性树脂填充。

作为改进，所述多芯光纤为纤芯有3-9根。

作为改进，所述多芯光纤为七芯光纤，其包括一对分布式应变传感光纤、一对点式应变传感光纤、一根分布式振动传感光纤、一根分布式温度传感光纤和一根高灵敏度振动传感光纤，其中分布式温度传感光纤位于七芯光纤中心位置。

作为改进，所述铠装线外包裹有增强层。

作为改进，所述多芯光纤智能复合筋的多芯光纤两端焊接光纤跳线，多芯光纤通过光纤跳线连接多芯光纤耦合器，所述多芯光纤通过多芯光纤耦合器连接相应功能的光纤解调仪。

作为改进，所述增强层为纤维增强层或金属增强层。

作为改进，在增强层外进行喷砂处理形成麻面，或者是在增强层外缠绕树脂。

作为改进，所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或者任意几种组合。

一种多芯光纤智能复合筋制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多芯光纤包裹紧套管，并与浸泡过环氧树脂的增强纤维一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程，制成光纤纤维复合拉拔筋，同时在光纤纤维复合拉拔筋出炉时标注好多芯光纤中光纤光栅的具体位置；

步骤2、将步骤1中集成多芯光纤的光纤纤维复合拉拔筋与普通的纤维增强塑料筋浸泡环氧树脂后一起送入成型设备，进行加热、扭转、缠绕、拉拔成型，将成品涂覆安装铠装线，并用增强层封装保护，制成多芯光纤智能复合筋。

一种上述多芯光纤智能复合筋安全监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用多芯光纤中分布式温度传感光纤测得多芯光纤智能复合筋中各点温度分布；

步骤2、利用测得的温度分布补偿多芯光纤中的点式应变传感光纤，测出多芯光纤智能复合筋的真实应变；

步骤3、利用多芯光纤中分布式振动传感光纤测出多芯光纤智能复合筋振动事件的频率和强度信息，并定位振动发生位置；

步骤4、根据步骤2中的真实应变和步骤3中的振动信息判断多芯光纤智能复合筋的安全状态。

本发明有益效果是：

本发明产品的多芯光纤跟纤维束一起送入拉拔模具，经过热处理工艺有机地构成一体。由于多芯光纤与纤维增强塑料固结良好，保证了多芯光纤与纤维增强塑料间的协同变形。这种复合传感筋兼具多芯光纤与纤维增强塑料的优点，如轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高(1～2με)、抗电磁干扰、分布或准分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点。这种复合传感筋弥补了纤维增强塑料与多芯光纤各自的一些缺点，如多芯光纤克服了纤维增强塑料筋的自感知非线性问题；而纤维增强塑料是多芯光纤的一种优良封装保护，克服了裸光纤难以适应钢筋混凝土结构粗放式施工的要求，大大提高了多芯光纤的耐久性。这样，极大地满足了土木工程结构对力学性能与结构智能健康监测的需求。

附图说明

附图1为本发明多芯光纤智能复合筋截面示意图。

附图2为本发明的光纤纤维复合拉拔筋截面示意图。

附图3为本发明多芯光纤智能复合筋结构示意图。

附图4为本发明多芯光纤智能复合筋应用监测原理示意图。

其中：1-多芯光纤，101-分布式应变传感光纤，102-点式应变传感光纤，103-分布式振动传感光纤，104-分布式温度传感光纤，105-高灵敏度振动传感光纤，2-紧套管，3-纤维增强塑料筋，4-铠装线，5-增强层，6-光纤纤维复合拉拔筋，7-多芯光纤耦合器，8-多芯光纤智能复合筋。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做具体的描述：

如图1所示，一种多芯光纤智能复合筋，包括多根纤维增强塑料筋3以及包覆在多根纤维增强塑料筋3之外的铠装线4，所述铠装线4外包裹有增强层5，所述多根纤维增强塑料筋3中至少一根替换为包含多芯光纤1的光纤纤维复合拉拔筋6，所述光纤纤维复合拉拔筋6包括多芯光纤1和包裹在多芯光纤1四周的增强纤维，所述多芯光纤1和其四周的增强纤维之间通过热固性树脂固定相连。所述多根纤维增强塑料筋3之间以及纤维增强塑料筋3与光纤纤维复合拉拔筋6也通过热固性树脂填充。

如图2所示，所述多芯光纤1为七芯光纤，其包括一对分布式应变传感光纤101、一对点式应变传感光纤102、一根分布式振动传感光纤103、一根分布式温度传感光纤104和一根高灵敏度振动传感光纤105，其中分布式温度传感光纤104位于七芯光纤中心位置。多芯光纤1中的七芯各功能分布如下：第一种为一对分布式应变传感光纤101(BOTDA/BOTDR)用于长距离分布式的复合筋应变监测；第二种为一对点式应变传感光纤102(FBG)，其中刻有若干个光纤光栅测点用于监测复合筋FBG位置的精确应变值；第三种为一根分布式振动传感光纤103和第四种为一根高灵敏度振动传感光纤105(MZI)用于复合筋的分布式振动测量，其中用来定位振动位置，MZI用于振动频率测量；第五种为一根分布式温度传感光纤104(ROTDR)用于复合筋分布式温度测点监测，其监测温度可同时用于补偿分布式应变光纤101和点式应变光纤102的温度效应，从而实现对温度、应力的精确解耦测量。

此外，分布式温度传感光纤104位于光纤纤维复合拉拔筋6中心位置，其他七根光纤分布于分布式温度传感光纤104四周，其中一对分布式应变传感光纤101以分布式温度传感光纤104为中心对称设置，一对点式应变传感光纤102也是以分布式温度传感光纤104为中心对称设置。利用七芯光纤的物理对称特性，基于外层纤芯布里渊频移对弯曲敏感的特性，可以通过特定的三维重构算法，实现对复合筋变形的分布式三维形状传感。基于多芯光纤1空分复用的混合系统，实现了长距离、分布式的温度、振动同时监测，实现了大动态范围的分布式振动测量，以及实现了大动态范围、超高精度的分布式温度、应力测量。

多芯光纤智能复合筋8的制备方法，包括以下具体步骤：

S1将多芯光纤1包裹紧套管2，并与浸泡过环氧树脂的增强纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体，制成光纤纤维复合拉拔筋6，同时在光纤纤维复合拉拔筋6出炉时标注好多芯光纤1中光纤光栅的具体位置。

S2将S1步骤中集成多芯光纤1的光纤纤维复合拉拔筋6与普通的纤维增强塑料筋3浸泡环氧树脂后一起送入成型设备，进行加热、扭转、缠绕、拉拔成型，将成品涂覆安装铠装线4，并用增强层5封装保护，形成多芯光纤智能复合筋8，如图1和图3所示。

本实施例中，铠装线4可以是增强纤维或者金属丝网，所述增强层5可以是增强纤维，包括但不限于碳纤维层、玻璃纤维层和芳纶纤维层。

在实际加工过程中，为了使本产品更好地与混凝土等其他材料粘合，增强层5表面可进行喷砂处理形成麻面，或者是在增强层5外缠绕树脂。工程应用或试验需要时，将加工成形的光纤纤维复合拉拔筋6切割成任意所需的长度，并利用纤维的各向异性特点在端部将光纤剥离出来，焊接在光纤跳线上即可。

如图4所示，光纤纤维复合拉拔筋6的尾纤与后端集成采集系统相连，采集系统包括多芯光纤耦合器7，用于将多芯光纤1中的七根不同功能光纤各自分离出来。分离之后，分别与对应的后端采集装置相互连接，包括振动检测系统(用于分布式振动传感光纤103)，光纤光栅解调系统(用于点式应变传感光纤102)，分布式温度传感系统(用于分布式温度传感光纤104)，分布式应变采集系统(用于分布式应变传感光纤101)以及MZI振动检测系统(用于高灵敏度振动传感光纤105)。由此，即可将本发明多芯光纤智能复合筋的所有传感光纤实现解调，从而最终分析出传感筋的分布式应变、局部应变、三维形变、振动扰动、周边温度等信息。

下边就本发明中多芯光纤1的传感原理做简要介绍：

1.多芯光纤1中分布式温度传感光纤104(ROTDR)用于复合筋分布式温度测点监测原理。温度传感光纤采用拉曼温度传感技术进行温度补偿，拉曼温度传感的特点是只对外界的温度变化敏感，而对光纤的应力变化不敏感，因此可以作为一种温度补偿方案。简而言之，拉曼测温利用的是光纤中拉曼散射强度对温度的依赖关系，其中反斯托克散射信号比斯托克斯散射信号对温度更加敏感，两者散射强度的比值仅与温度相关：

其中，I_s，I_As分别是两种散射信号的强度，由上式可知，只需要测得两种散射光的强度即可实现温度解调。在本发明产品中，即可实现对复合筋需要位置的温度传感。

2.多芯光纤1中的点式应变传感光纤102的应变传感原理。光纤光栅是一种衍射光栅，利用某种方法使纤芯折射率产生周期性调制而制成。光纤光栅可以将波长λ_B＝2nΛ的光波进行反射(式中λ_B表示光纤光栅中心波长，n为纤芯有效折射率，Λ为光栅周期)。外部变化将引起光纤光栅应力、温度等方面的变化，这些变化将使光纤光栅中心波长发生改变。因此通过反射中心波长的该变量推断外接被测量的变化。

我们假设温度和应变对中心波长的影响是独立的，不计中心波长对灵敏度影响，则温度以及应变共同产生如下的变化：

Δλ_B＝α_ε·Δε+α_T·ΔT (2)

式中，Δλ_B为测量中心波长变化量，Δε为测点应变变化量，ΔT为测点温度变化量；α_ε为应变灵敏度系数；α_T为温度灵敏度系数。则光纤光栅测量时进行温度补偿后，即可对获得光纤光栅测量的真实应变变化。

本发明产品中的多芯光纤1传感器中包括具有光纤光栅的点式应变传感光纤102。在实际应用中，通过采集光纤光栅中心波长的变化，同时利用多芯光纤1中的分布式温度传感光纤104(ROTDR)的温度传感功能，获取光纤光栅测点处的有效温度，对光纤光栅波长变化进行温度补偿，从而剔除温度变化影响，得到多芯光纤1中光纤光栅测点的真实应变变化。由此，即可实现对多芯光纤智能复合筋8关键测点的应变和温度测量。

3.多芯光纤1中分布式振动传感光纤103和高灵敏度振动传感光纤105(MZI)用于复合筋的分布式振动测量原理，其中用来定位振动位置，MZI用于振动频率测量。光纤在振动的过程中会产生弯曲、拉伸现象，从而改变传导光的偏振态。在传感光纤末端使用检偏器即可将光偏振态的变化转化为光强的变化，通过检测光强的变化可以得到振动事件的频率和强度信息。

Claims (10)

1.一种多芯光纤智能复合筋，包括多根纤维增强塑料筋以及包覆在多根纤维增强塑料筋之外的铠装线，其特征在于：所述多根纤维增强塑料筋中至少一根替换为包含多芯光纤的光纤纤维复合拉拔筋，所述光纤纤维复合拉拔筋包括多芯光纤和包裹在多芯光纤四周的增强纤维，所述多芯光纤和其四周的增强纤维之间通过热固性树脂固定相连。

2.如权利要求1所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述多根纤维增强塑料筋之间以及纤维增强塑料筋与光纤纤维复合拉拔筋之间也通过热固性树脂填充。

3.如权利要求2所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述多芯光纤为纤芯有3-9根。

4.如权利要求3所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述多芯光纤为七芯光纤，其包括一对分布式应变传感光纤、一对点式应变传感光纤、一根分布式振动传感光纤、一根分布式温度传感光纤和一根高灵敏度振动传感光纤，其中分布式温度传感光纤位于七芯光纤中心位置。

5.如权利要求1至4任意一项所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述铠装线外包裹有增强层。

6.如权利要求5所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述多芯光纤智能复合筋的多芯光纤两端焊接光纤跳线，多芯光纤通过光纤跳线连接多芯光纤耦合器，所述多芯光纤通过多芯光纤耦合器连接相应功能的光纤解调仪。

7.如权利要求5所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：在增强层外进行喷砂处理形成麻面，或者是在增强层外缠绕树脂。

8.如权利要求5所述的多芯光纤智能复合筋，其特征在于：所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或者任意几种组合。

9.一种多芯光纤智能复合筋制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多芯光纤包裹紧套管，并与浸泡过环氧树脂的增强纤维一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程，制成光纤纤维复合拉拔筋，同时在光纤纤维复合拉拔筋出炉时标注好多芯光纤中光纤光栅的具体位置；

步骤2、将步骤1中集成多芯光纤的光纤纤维复合拉拔筋与普通的纤维增强塑料筋浸泡环氧树脂后一起送入成型设备，进行加热、扭转、缠绕、拉拔成型，将成品涂覆安装铠装线，并用增强层封装保护，制成多芯光纤智能复合筋。

10.一种权利要求9所述的多芯光纤智能复合筋安全监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用多芯光纤中分布式温度传感光纤测得多芯光纤智能复合筋中各点温度分布；

步骤2、利用测得的温度分布补偿多芯光纤中的点式应变传感光纤，测出多芯光纤智能复合筋的真实应变；

步骤3、利用多芯光纤中分布式振动传感光纤测出多芯光纤智能复合筋振动事件的频率和强度信息，并定位振动发生位置；

步骤4、根据步骤2中的真实应变和步骤3中的振动信息判断多芯光纤智能复合筋的安全状态。