CN109931877B - 一种应变光缆及光缆的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四维应变光缆，其结构由四根细径玻璃纤维（FRP）光纤光缆对称分布在一根粗一些的FRP棒材上，由于其组成材料均为玻璃二氧化硅，所以其热膨胀系数相同，不会因为温度变化带来残余应力，并且由于其对称分布、刚性不易扭曲等特点，在实际工程中，可以通过光纤应变监测仪判断其形变大小以及受力方向；本发明同时还公开了该四维应变光缆的制作方法以及应变光缆的成缆装置。
Description
技术领域
本发明涉及应变光缆领域，尤其涉及一种应变光缆及光缆的制作方法。
背景技术
近年来，基于布里渊散射的分布式光纤传感器技术得到了越来越广泛的应用，利用受激布里渊散射效应，测量背向散射的布里渊散射光，其频移量满足2nv/λ，其中，n为光纤的折射率，v为光纤中的声速，λ为激光脉冲的波长。由于声速v与光纤的应变和温度有关，因此可以将光纤制作成光缆与被测物体粘贴，利用光纤中的布里渊频移简介测量被测物所受到的变形和温度，实现应变或亮度测量的光缆是布里渊散射的分布式光纤传感的一项核心内容。
国内在此方面也有相关的研究，但都存在不同的缺陷和不足，如专利201110212087.5公开了一种金属基索状分布式光纤传感器，其技术方案是光缆行中内置了一根紧套光纤，光纤周围采用金属基索状结构进行保护，虽然光缆大大提高了传感器的抗拉强度，也可以用于混凝土结构的应变监测，但是光缆中没有温度补偿单元，所以测量结果会受到温度变化的影响，使得测试结果不准确。专利201220335164.6公开了一种沿物体表面敷设的分布式应变和温度监测光缆，其技术同样是温度光缆隔离应变的方案，不过隔离采用的是不锈钢管，钢管填充的是油膏物质，会导致光缆发生应变变化时填充物对温度光缆产生粘滞力，产生参与应变不能完全隔离应变的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应变光缆及光缆的制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为达到上述技术目的，本发明采用了一种应变光缆，包括一玻璃纤维棒材，以及四根玻璃纤维，分别为第一玻璃纤维、第二玻璃纤维、第三玻璃纤维和第四玻璃纤维，所述第一玻璃纤维中间设有和第一玻璃纤维处于同一轴心的第一光纤，所述第二玻璃纤维中间设有和第二玻璃纤维处于同一轴心的第二光纤，所述第三玻璃纤维中间设有和第三玻璃纤维处于同一轴心的第三光纤，所述第四玻璃纤维中间设有和第四玻璃纤维处于同一轴心的第四光纤，所述玻璃纤维棒材侧边对称设置有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，所述第一凹槽上嵌设第一玻璃纤维，且通过第一结构胶体使第一凹槽和第一玻璃纤维形成连接；所述第二凹槽上嵌设第二玻璃纤维，且通过第二结构胶体使第二凹槽和第二玻璃纤维形成连接；所述第三凹槽上嵌设第三玻璃纤维，且通过第三结构胶体使第三凹槽和第三玻璃纤维形成连接；所述第四凹槽上嵌设第一玻璃纤维，且通过第四结构胶体使第四凹槽和第四玻璃纤维形成连接。
作为本发明之优选，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽在玻璃纤维棒材的侧边呈上下左右对称结构分布。
在上述基础上，本发明接着公开了该应变光缆的制作方法，包含如下步骤：
(1)首先用玻璃纤维与普通单模光纤制作直径1mm的FRP应变测试光缆，该应变测试光缆由若干玻璃纤维束与光纤一起，经过成缆盒，后形成玻璃纤维与光纤紧密结合成一体的直径为1mm的光纤应变光缆；
(2)接着选择粗细相当的玻璃纤维棒材，根据工程的长度，选择合适长度的FRP棒材及细径FRP玻璃纤维光缆；
(3)将FRP棒材缠绕到合适的滚筒上，从一端开始利用刻槽机在FRP棒材上四个十字交叉的方向上刻深度为1mm左右的槽，根据实际的加工条件，可以选择一条槽一条槽的刻，也可以制作四方位同时刻槽的设备在玻璃纤维棒材上同时加工对称分布的四个1mm深度的凹槽；
(4)刻槽结束后，将滚动位置互换，在凹槽内涂满结构胶或树脂胶，将4根直径1mm的FRP光缆植入凹槽内，将溢出的胶体清除干净，确保玻璃纤维棒材表面的光滑度，采用加热等方式，使胶体快速固化，使直径1mm的4根FRP光缆与玻璃纤维快速结合，成为一个整体，然后通过动力绞车缠绕到滚筒上；
(5)将四维应变光纤光缆与光纤应变解调仪相连，所连接光纤应变解调仪可以是单端反射型的BOTDR，也可以是回路型的BOTDA，在应变光缆某一个方向上施加应力，确定好光缆abcd四根细应变光缆的方向，根据检测仪中四根光缆应变值的大小以及正负即可判断施力的方向。
本发明同时公开了上述描述的应变光缆的成缆装置，包括玻璃纤维棒材盘、1mmFRP光缆盘、成缆盒以及四维应变光缆盘，所述玻璃纤维棒材盘和成缆盒之间通过玻璃纤维棒材形成连接，所述1mmFRP光缆盘和成缆盒之间通过1mm玻璃纤维光缆形成连接，所述成缆盒和四维应变光缆盘之间通过4维应变光缆形成连接。
本发明的4维应变光缆，其结构由四根细径玻璃纤维(FRP)光纤光缆对称分布在一根粗一些的FRP棒材上，由于其组成材料均为玻璃二氧化硅，所以其热膨胀系数相同，不会因为温度变化带来残余应力，并且由于其对称分布、刚性不易扭曲等特点，在实际工程中，可以通过光纤应变监测仪判断其形变大小以及受力方向。
附图说明
图1所示的是本发明的应变光缆结构图；
图2所示的是本发明的四维应变光缆成缆示意图；
图3所示的是本发明的四维应变应变光纤对应图；
图4所示的是本发明的应变监测系统图；
图5所示的是本发明的B点光纤受力四维应变光缆应变分布图；
图6所示的是本发明的B点与c点之间受力四维应变光缆应变分布图；
其中，1、光纤；2、结构胶体；3、玻璃纤维；4、玻璃纤维棒材；5、1mmFRP光缆盘；6、1mm玻璃纤维光缆；7、成缆盒；8、4维应变光缆；9、四维应变光缆盘；11、玻璃纤维棒材盘；a、1mmFRP光缆；b、1mmFRP光缆；c、1mmFRP光缆；d、1mmFRP光缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
由图1可知，一种应变光缆，包括一玻璃纤维棒材4，以及四根玻璃纤维3，分别为第一玻璃纤维、第二玻璃纤维、第三玻璃纤维和第四玻璃纤维，第一玻璃纤维中间设有和第一玻璃纤维处于同一轴心的第一光纤，第二玻璃纤维中间设有和第二玻璃纤维处于同一轴心的第二光纤，第三玻璃纤维中间设有和第三玻璃纤维处于同一轴心的第三光纤，第四玻璃纤维中间设有和第四玻璃纤维处于同一轴心的第四光纤。
在玻璃纤维棒材4侧边对称设置有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一凹槽上嵌设第一玻璃纤维，且通过第一结构胶体使第一凹槽和第一玻璃纤维形成连接；第二凹槽上嵌设第二玻璃纤维，且通过第二结构胶体使第二凹槽和第二玻璃纤维形成连接；第三凹槽上嵌设第三玻璃纤维，且通过第三结构胶体使第三凹槽和第三玻璃纤维形成连接；第四凹槽上嵌设第四玻璃纤维，且通过第四结构胶体使第四凹槽和第四玻璃纤维形成连接。
在本发明中，优选第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽在玻璃纤维棒材4的侧边呈上下左右对称结构分布。
在上述基础上，本发明接着公开了该应变光缆的制作方法，包含如下步骤：
(1)首先用玻璃纤维3与普通单模光纤制作直径1mm的FRP应变测试光缆，该应变测试光缆由若干玻璃纤维束与光纤一起，经过成缆盒7，后形成玻璃纤维3与光纤1紧密结合成一体的直径为1mm的光纤应变光缆；该应变光缆的优点是：玻璃纤维3与光纤1属于同一材质，二者热膨胀系数相同，在遇到温度变化的情况，不会产生因热膨胀系数不同而产生残余应力。而且由于玻璃纤维3具有良好的抗拉强度、隔热、防腐蚀、阻燃等特点，具有广泛的应用空间。
(2)接着选择粗细相当的玻璃纤维棒材4，根据工程的长度，选择合适长度的FRP棒材及细径FRP玻璃纤维光缆；
(3)将FRP棒材缠绕到合适的滚筒上，从一端开始利用刻槽机在FRP棒材上四个十字交叉的方向上刻深度为1mm左右的槽，根据实际的加工条件，可以选择一条槽一条槽的刻，也可以制作四方位同时刻槽的设备在玻璃纤维棒材上同时加工对称分布的四个1mm深度的凹槽；在刻槽的过程中，玻璃棒材一端在一个滚动上，刻槽完毕的棒材缠绕在另一个带有动力装置的滚筒上，通过动力装置控制刻槽的进度；
(4)刻槽结束后，将滚动位置互换，在凹槽内涂满结构胶或树脂胶，将4根直径1mm的FRP光缆植入凹槽内，将溢出的胶体清除干净，确保玻璃纤维棒材表面的光滑度，采用加热等方式，使胶体快速固化，使直径1mm的4根FRP光缆与玻璃纤维快速结合，成为一个整体，然后通过动力绞车缠绕到滚筒上；
(5)将四维应变光纤光缆与光纤应变解调仪相连，所连接光纤应变解调仪可以是单端反射型的BOTDR，也可以是回路型的BOTDA，在应变光缆某一个方向上施加应力，确定好光缆abcd四根细应变光缆的方向，根据检测仪中四根光缆应变值的大小以及正负即可判断施力的方向。
以图5为例，首先根据应变监测仪判断4根细应变光缆接入系统的大概位置，主要是在横坐标上分布的位置，在本案例中依次接入光纤应变系统的光缆为a，b，c，d，所以根据坐标轴上的位置就能判断出是哪根应变光缆的变化量级变化方向，在图5中，A点的变化变化为正值最大，B点的变化方向为负值最大，C点D点的变化值相对较少，可以忽略，而且AB两点的变化有较为明显的线性关系，结合图3光缆的分布规律，可以判断施力方向为从B点方向正向施加压力；
在图6中，A、B、C、D四个方向上应变值相当，而AD为正应变，BC为负应变，则据此可判断施力方向为BC中间位置，因为B点应变相对较少，所以判断施力点距B点稍远，更靠近C点一些。
由图2可知，本发明同时公开了上述描述的应变光缆的成缆装置，包括玻璃纤维棒材盘11、1mmFRP光缆盘5、成缆盒7以及四维应变光缆盘9，上述结构中，玻璃纤维棒材盘11和成缆盒7之间通过玻璃纤维棒材4形成连接，1mmFRP光缆盘5和成缆盒7之间通过1mm玻璃纤维光缆6形成连接，成缆盒7和四维应变光缆盘9之间通过4维应变光缆8形成连接。
总的来说，本发明的4维应变光缆，其结构由四根细径玻璃纤维(FRP)光纤光缆对称分布在一根粗一些的FRP棒材上，由于其组成材料均为玻璃二氧化硅，所以其热膨胀系数相同，不会因为温度变化带来残余应力，并且由于其对称分布、刚性不易扭曲等特点，在实际工程中，可以通过光纤应变监测仪判断其形变大小以及受力方向。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种应变光缆，包括一玻璃纤维棒材，以及四根玻璃纤维，分别为第一玻璃纤维、第二玻璃纤维、第三玻璃纤维和第四玻璃纤维，所述第一玻璃纤维中间设有和第一玻璃纤维处于同一轴心的第一光纤，所述第二玻璃纤维中间设有和第二玻璃纤维处于同一轴心的第二光纤，所述第三玻璃纤维中间设有和第三玻璃纤维处于同一轴心的第三光纤，所述第四玻璃纤维中间设有和第四玻璃纤维处于同一轴心的第四光纤，其特征在于，所述玻璃纤维棒材侧边对称设置有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，所述第一凹槽上嵌设第一玻璃纤维，且通过第一结构胶体使第一凹槽和第一玻璃纤维形成连接；所述第二凹槽上嵌设第二玻璃纤维，且通过第二结构胶体使第二凹槽和第二玻璃纤维形成连接；所述第三凹槽上嵌设第三玻璃纤维，且通过第三结构胶体使第三凹槽和第三玻璃纤维形成连接；所述第四凹槽上嵌设第一玻璃纤维，且通过第四结构胶体使第四凹槽和第四玻璃纤维形成连接；
该应变光缆的生产方法如下：
(1)首先用玻璃纤维与普通单模光纤制作直径1mm的FRP应变测试光缆，该应变测试光缆由若干玻璃纤维束与光纤一起，经过成缆盒，后形成玻璃纤维与光纤紧密结合成一体的直径为1mm的光纤应变光缆；
(2)接着选择粗细相当的玻璃纤维棒材，根据工程的长度，选择合适长度的FRP棒材及细径FRP玻璃纤维光缆；
(3)将FRP棒材缠绕到合适的滚筒上，从一端开始利用刻槽机在FRP棒材上四个十字交叉的方向上刻深度为1mm左右的槽，根据实际的加工条件，可以选择一条槽一条槽的刻，也可以制作四方位同时刻槽的设备在玻璃纤维棒材上同时加工对称分布的四个1mm深度的凹槽；
(4)刻槽结束后，将滚动位置互换，在凹槽内涂满结构胶或树脂胶，将4根直径1mm的FRP光缆植入凹槽内，将溢出的胶体清除干净，确保玻璃纤维棒材表面的光滑度，采用加热的方式，使胶体快速固化，使直径1mm的4根FRP光缆与玻璃纤维快速结合，成为一个整体，然后通过动力绞车缠绕到滚筒上；
(5)将四维应变光纤光缆与光纤应变解调仪相连，所连接光纤应变解调仪可以是单端反射型的BOTDR，也可以是回路型的BOTDA，在应变光缆某一个方向上施加应力，确定好光缆abcd四根细应变光缆的方向，根据光纤应变解调仪中四根光缆应变值的大小以及正负即可判断施力的方向。
2.如权利要求1所述的一种应变光缆，其特征在于，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽在玻璃纤维棒材的侧边呈上下左右对称结构分布。
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