CN110007392A - 一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法，智能纤维板包括纤维板层和多芯光纤传感器，纤维板层是以纤维束为增强材料，以环氧树脂为基体制成的板状构件，多芯光纤传感器包括多芯光纤和分别与每根光纤相连的解调仪，多芯光纤沿碳纤维丝的长度方向布置智能纤维板的半高处，首先采用相位掩模法在多芯光纤上刻制多段光栅；然后将多芯光纤与碳纤维丝混编成复合纤维束，标出光栅沿纤维方向的位置；之后将复合碳纤维与普通碳纤维丝一起编织，利用环氧树脂固化成碳纤维板。本发明将新型功能材料七芯光纤和加固材料碳纤维板有机结合起来，实现了工程加固与结构健康监测的双重功能；制作方法简单可靠，提高了传感器的成活率和准确度。

Description

一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法

技术领域

本发明属于结构健康监测和工程加固技术领域，具体涉及一种复合多芯光纤的智能纤维板及其制备方法。

背景技术

钢筋混凝土结构在其服役期内会受到腐蚀、地震等外力作用，结构性能退化而丧失耐久性，只有经过再设计和加固才能继续服役。相对于钢材、混凝土材料，碳纤维板具有轻质高强、耐腐蚀、体积小、易加工、施工方便等优点，不会显著增加原构件尺寸。因此，碳纤维板已被广泛应用到土木工程结构加固工程中。

如何评价被加固结构的健康状况，如何监测碳纤维板的受力状态，也是土木工程结构加固技术发展的关键。传统传感器难以与碳纤维板材复合，后贴传感器施工难度大、准确度差、成活率低、寿命短，不能满足钢筋混凝土结构的长周期结构健康监测。光纤作为一种新型的智能传感材料，已广泛应用于结构健康监测、医疗等领域。七芯光纤除了具有普通光纤的抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、灵敏度高、集传感和传输于一体等优点，尚可实现多参量同时监测，完美解决温度、应变交叉敏感问题，且光纤与碳纤维易于复合，可实现工业化生产，在土木工程加固补强领域具有广阔的应用前景。

光纤的主要成分为二氧化硅，抗拉强度低、易折断，直接用于碳纤维板生产工艺难以保证其成活率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种集加固功能与监测功能于一体的新型智能土木工程材料一种复合七芯光纤的智能碳板及其制备方法，简化了传感器安装流程，提高了传感器成活率，实现了多参量同时监测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种复合七芯光纤的智能纤维板，其特征在于：包括纤维板层和多芯光纤传感器，所述纤维板层是以纤维束为增强材料，以环氧树脂为基体制成的板状构件，所述多芯光纤传感器包括多芯光纤和分别与每根光纤相连的解调仪，多芯光纤预设于纤维板层内，多芯光纤中的每根光纤均独立工作。本发明的智能纤维板采用一根多芯光纤而非多根单芯光纤，简化了生产工艺，提高了工作效率，解决了光纤光栅应变温度交叉敏感问题；不同芯所测数据互相校核，提高了监测数据的准确度。

作为改进，所述纤维束包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。智能纤维板将传感器七芯光纤与加固材料碳纤维有机复合，形成集数据传感、数据传输、结构加固于一体的多功能土木工程材料。

作为改进，所述多芯光纤为七芯光纤，其包括同质七芯光纤和异质七芯光纤，七根纤芯独立工作，同时进行多个物理参量的实时监测。

作为改进，在所述七芯光纤上刻制光栅，传感方式包括分布式传感和准分布式传感。

作为改进，设于纤维板层内的多芯光纤两端分别设有耦合器，多芯光纤两端通过耦合器连接出相应数量的单芯光纤，每根单芯光纤分别与相应的解调仪相连。

一种复合七芯光纤的智能纤维板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用相位掩模法在多芯光纤上刻制多段光栅；

步骤2、将多芯光纤与碳纤维丝混编成复合纤维束，标出光栅沿纤维方向的位置；

步骤3、将复合碳纤维与普通碳纤维丝一起编织，利用环氧树脂固化成碳纤维板。

作为改进，所述光栅个数控制在8至32个，光栅间距大于2cm。

作为改进，所述多芯光纤位于复合纤维束中心位置，保证多芯光纤四周的碳纤维保护层厚度大于50μm。

作为改进，所述多芯光纤的芯数为3-10，多芯光纤端部通过耦合器连接相应数量的单芯光纤，每根单芯光纤连接一个解调仪。

作为改进，所述多芯光纤为七芯光纤，包括中间纤芯和分布在其四周的6根纤芯，其中，中间纤芯与拉曼测温仪相连，用于测量结构温度；

一对外环纤芯与光纤光栅解调仪相连，用于测量准分布式应变或点应变；

一对外环纤芯与布里渊解调仪相连，用于测量分布式应变；

一个外环纤芯与马赫-曾德干涉仪相连，用于测量结构高频振动；

一个外环纤芯与相位敏感光时域反射仪相连，用于测量结构振动。

与现有技术相比本申请中的智能碳板及其制备方法具有如下技术效果：

多芯光纤与碳纤维丝形状、材质相近，复合稳固，二者可以协调变形。

作为优选的方案，在智能纤维板的两端，七芯光纤穿套松套管，长度至少500mm，尾纤均采用铠装保护。

本发明有益效果是：

多芯光纤直径仅0.15mm，不会影响碳纤维板层的力学性能，碳纤维板层对多芯光纤具有密封保护的作用，提高了传感器的成活率，延长了传感器的使用寿命。

智能碳板采用的多芯光纤空间结构稳定、光纤横截面利用率高，可以实现应变、温度、振动信号等多个物理量的同时监测，解决了温度应变交叉敏感问题，通过不同芯监测这互相校核可以提高准确性。

智能碳板复合一根多芯光纤而不是7根单芯光纤，减小了多根光纤对碳纤维板层整体性能的影响，简化了复合光纤智能碳板的生产工艺，提高了数据传感和传输效率。

在智能碳板的制备过程中，先将多芯光纤与碳纤维丝复合，再将复合纤维束与普通纤维丝编织固化成智能碳板，提高了光纤传感器在生产过程中的成活率。

附图说明

图1为本发明实施例中复合七芯光纤的智能碳板的结构示意图。

图2为本发明实施例中复合七芯光纤的智能碳板的横截面图。

图3为本发明实施例中复合七芯光纤的智能碳板中七芯光纤的横截面图。

其中：1-铠装光缆，2-光栅，3-碳纤维板层，4-七芯光纤，5-耦合器，6-布里渊解调仪，7-马赫-曾德干涉仪，8-拉曼测温仪，9-光纤光栅解调仪，10-相位敏感光时域反射仪，11-复合碳纤维束，12-纤芯。

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，本实施例以七芯光纤为例进行说明，但本发明保护的技术方案不限于七芯光纤。

为了达到本发明的目的，如图1~3所示，一种复合七芯光纤的智能碳板，以下简称智能碳板，包括：七芯光纤4和碳纤维板层3，七芯光纤4可以在合适位置刻制光栅2；七芯光纤4也可以是其他多芯光纤，碳纤维板层3也可以是玻璃纤维、芳纶纤维等纤维增强材料。

为了进一步优化本发明的实施效果，七芯光纤4置于碳纤维板层3的中心，防止七芯光纤4外露磨损。

数据采集时，七芯光纤4通过耦合器5引出七根单芯光纤，分别与七根跳线和对应的解调仪连接；七芯光纤4中七根芯的功能如下：

中间纤芯a与拉曼测温仪8（ROTDR）相连，用于测量结构温度；

一对外环纤芯b（以中间纤芯a为中心对称）与光纤光栅解调仪9（FBG）相连，用于测量准分布式应变或点应变；

一对外环纤芯c（以中间纤芯a为中心对称）与布里渊解调仪6（BOTDA/BOTDR）相连，用于测量分布式应变；

外环纤芯d与马赫-曾德干涉仪7（MZI）相连，用于测量结构高频振动；

外环纤芯e与相位敏感光时域反射仪10（Phi-OTDR）相连，用于测量结构振动。

本申请对七芯光纤4中七根芯的功能不作限定，可根据实际情况调整。

一种复合七芯光纤的智能碳板的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.采用相位掩模法在七芯光纤4合适的位置刻制一定数量的光栅；

S2.在七芯光纤4两端不少于500mm长度范围穿套松套管，使用烘枪加热松套管端部，使其软化贴合七芯光纤4；

S3.将准备好的七芯光纤与碳纤维丝复合成碳纤维束（七芯光纤沿碳纤维丝的长度方向布置），标出光栅沿纤维方向的位置；

S4.将复合碳纤维束与普通碳纤维丝一起编织、固化成碳纤维板，七芯光纤处于碳纤维板的半高处。

本申请中的智能碳板及其制备方法具有如下技术效果：

七芯光纤4与碳纤维丝形状、材质相近，复合稳固，二者可以协调变形。

七芯光纤4直径仅0.15mm，不会影响碳纤维板层3的力学性能，碳纤维板层3对七芯光纤4具有密封保护的作用，提高了传感器的成活率，延长了传感器的使用寿命。

智能碳板采用的七芯光纤4空间结构稳定、光纤横截面利用率高，可以实现应变、温度、振动信号等多个物理量的同时监测，解决了温度应变交叉敏感问题，通过不同芯监测这互相校核可以提高准确性。

智能碳板复合一根七芯光纤4而不是7根单芯光纤，减小了多根光纤对碳纤维板层3整体性能的影响，简化了复合光纤智能碳板的生产工艺，提高了数据传感和传输效率。

在智能碳板的制备过程中，先将七芯光纤4与碳纤维丝复合，再将复合纤维束与普通纤维丝编织固化成智能碳板，提高了光纤传感器在生产过程中的成活率。

以上所述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)

1.一种复合多芯光纤的智能纤维板，其特征在于：包括纤维板层和多芯光纤传感器，所述纤维板层是以纤维束为增强材料，以环氧树脂为基体制成的板状构件，所述多芯光纤传感器包括多芯光纤和分别与每根光纤相连的解调仪，多芯光纤预设于纤维板层内，多芯光纤中的每根光纤均独立工作。

2.如权利要求1所述的智能纤维板，其特征在于：所述纤维束包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。

3.如权利要求2所述的智能纤维板，其特征在于：所述多芯光纤为七芯光纤，其包括同质七芯光纤和异质七芯光纤，七根纤芯独立工作，同时进行多个物理参量的实时监测。

4.如权利要求3所述的智能纤维板，其特征在于：在所述七芯光纤上刻制光栅，传感方式包括分布式传感和准分布式传感。

5.如权利要求1所述的智能纤维板，其特征在于：设于纤维板层内的多芯光纤两端分别设有耦合器，多芯光纤两端通过耦合器连接出相应数量的单芯光纤，每根单芯光纤分别与相应的解调仪相连。

6.一种复合七芯光纤的智能纤维板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用相位掩模法在多芯光纤上刻制多段光栅；

步骤2、将多芯光纤与碳纤维丝混编成复合纤维束，标出光栅沿纤维方向的位置；

步骤3、将复合碳纤维与普通碳纤维丝一起编织，利用环氧树脂固化成碳纤维板。

7.如权利要求6所述的智能纤维板制备方法，其特征在于：所述光栅个数控制在8至32个，光栅间距大于2cm。

8.如权利要求6所述的智能纤维板制备方法，其特征在于：所述多芯光纤位于复合纤维束中心位置，保证多芯光纤四周的碳纤维保护层厚度大于50μm。

9.如权利要求6所述的智能纤维板制备方法，其特征在于：所述多芯光纤的芯数为3-10，多芯光纤端部通过耦合器连接相应数量的单芯光纤，每根单芯光纤连接一个解调仪。

10.如权利要求6所述的智能纤维板制备方法，其特征在于：所述多芯光纤为七芯光纤，包括中间纤芯和分布在其四周的6根纤芯，其中，中间纤芯与拉曼测温仪相连，用于测量结构温度；

一对外环纤芯与光纤光栅解调仪相连，用于测量准分布式应变或点应变；

一对外环纤芯与布里渊解调仪相连，用于测量分布式应变；

一个外环纤芯与马赫-曾德干涉仪相连，用于测量结构高频振动；

一个外环纤芯与相位敏感光时域反射仪相连，用于测量结构振动。