CN207423820U - 适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，传感器包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。

Description

适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器

技术领域

本实用新型属于光纤传感与桥梁安全监测技术领域，特别涉及一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器。

背景技术

随着我国西部基础设施建设投入的迅速增加，桥梁等大型基础设施建设迎来了前所未有的黄金期。钢管混凝土拱桥由于具有承载能力高、抗震性能好、施工方便、综合经济效益好等诸多优点而得到桥梁工程师的青睐。钢管混凝土结构作为一种组合构件，唯有当二者紧密黏贴时才能完整发挥两种材料的联合受力性能，体现出组合结构的优越性。一旦钢管混凝土之间会出现裂缝或脱空，二者的相互作用减弱，将导致桥梁结构的承载能力严重下降，大大降低桥梁结构抵抗自然灾害的能力。由于钢管与混凝土为两种特性不同的材料，会随着桥梁服役时间增长，受到材料老化、环境侵蚀、交通量快速增长、荷载长期效应及突发性灾害等影响，二者界面产生裂缝甚至脱空，若不能及时对其进行监测和维修，轻则影响行车安全和桥梁使用寿命，重则将引起桥梁垮塌等突发事故，造成重大的人员伤亡与经济损失。

钢管内混凝土脱空、裂缝这一类质量缺陷或损坏，由于其隐蔽性和发生发展的时空随机性，其有效检测(不漏测、定量)的技术难度很高，目前主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、γ射线法、回弹法、超声脉冲法等。但这些方法有的基于人工经验，不能实现定量检测，并且均为离线检测，实时性较差，且难以进行长期监测。因此，钢管内混凝土脱空、裂缝实时监测是钢管混凝土拱桥尚未解决的关键技术难题。

随着光纤传感技术的迅速发展，由于其具有体积小、响应速度快、防水防潮、良好的稳定性与耐久性等特点，为解决上述问题提供了有效的技术途径，但尚未出现采用光纤光栅传感技术实现拱桥钢管—混凝土界面裂缝、脱空的报道。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，本实用新型通过监测光纤光栅中心波长的变化即可实现钢管—混凝土界面产生裂缝、脱空的实时监测，具有结构简单、灵敏度高、防水防潮、易于安装的优点，具有较强的推广应用价值。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。

所述固定机构包括固定端子、支架和法兰，所述固定端子为中空结构，上端设置有法兰，法兰内部贯穿有传输光纤，所述支架设置于固定端子下端。

所述活动机构包括外套管与底座，外套管活动套装与支架内部，所述底座的一端固定于混凝土内部，一端固定套装于外套管内部。

所述光纤光栅、弹性元件与传输光纤的外侧设置有内套管，所述内套管一端固定于底座内部，一端连接法兰内侧。

所述弹性元件为拉簧。

所述支架为不锈钢桶状结构，通过螺纹固定在钢管壁上。

所述外套管一端与支架滑动连接，另一端通过螺纹与底座固定连接，且其顶部沿管壁留有两个螺孔。

所述底座外部为锯齿状结构，且底部中心有小孔。

所述固定端子通过螺纹固定在支架上，且其顶部中央留有圆孔，其顶部与内套管管壁对齐处留有两个螺孔。

所述光纤光栅为中心波长1550nm的光纤Bragg光栅，且其表面涂覆增韧有机材料。

所述拉簧为螺旋结构，且两端钢丝沿拉簧的中轴线，其中一端与底座固定连接，另一端与光纤光栅固定连接。

所述法兰焊接在固定端子外部，内部与内套管滑动连接，传输光纤从法兰引出。

所述光纤光栅的中心波长的变化量和被测裂缝宽度之间呈线性关系。

基于上述装置的安装方法，在光纤光栅表面涂覆增韧有机材料，待其风干后，将光纤光栅一端与弹性元件黏贴在一起，将弹性元件另一端与底座焊接在一起，形成该传感器的活动端，将光纤光栅与弹性元件放入固定机构内，加以固定，传输光纤拉紧，同时使光纤光栅与弹性元件处于拉紧状态，将固定机构固定在钢管壁上，并在钢管内浇筑混凝土，最后拆除连 接固定段子与外套管的螺丝，使活动机构随混凝土移动。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过支架与外套管连接，底座与外套管连接，也与拉簧一端相连，外套管与底座为该传感器的相对活动端，钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，混凝土中的底座与固定端子发生相对位移，通过拉簧拉动光纤光栅，使其中心波长发生变化。

(2)若钢管—混凝土界面产生裂缝或脱空，底座与固定端子产生相对位移，底座会拉动拉簧使之伸长产生拉力，光纤光栅在拉力作用下其中心波长向长波方向漂移，通过监测光纤光栅中心波长的变化即可实现钢管—混凝土界面产生裂缝、脱空的实时监测。该传感器结构简单、灵敏度高、防水防潮、易于安装，具有较强的推广应用价值。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的特性曲线图。

其中，1支架，2外套管，3底座，4固定端子，5内套管，6法兰，7光纤光栅，8拉簧，9传输光纤。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的新型光纤传感器，主要包括支架1、外套管2、底座3、固定端子4、内套管5、法兰6、光纤光栅7、拉簧8与传输光纤9。光纤光栅7一端与拉簧8相连，另一端为传输光纤9，通过法兰6引出，固定端子4在钢管-混凝土外部，为该传感器的固定端，并与支架1相连接。支架1与外套管2连接，底座3与外套管2连接，也与拉簧8一端相连，底座3为该传感器的相对活动端，钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，混凝土中的底座3与固定端子4发生相对位移，通过拉簧8拉动光纤光栅7，使其中心波长发生变化。

一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的新型光纤传感器的安装方法如下：

步骤一：在光纤光栅7表面涂覆增韧有机材料，待其风干后，将光纤光栅7一端与拉簧8黏贴在一起。

步骤二：将拉簧8另一端插入底座3底部的小孔中，并将拉簧8与底座3焊接在一起，形成该传感器的活动端。

步骤三：通过螺纹将底座3与外套管2固定拧紧，再将光纤光栅7与拉簧8放入内套管 中。

步骤四：将法兰6与固定端子4焊接在一起，将传感器底座3与外套管2放入支架1中，再将传输光纤9从法兰6引出，将法兰6底部放入内套管5中。

步骤五：将固定端子4与支架1通过螺纹固定在一起，并采用螺丝将固定端子4与外套管2固定。

步骤六：把传输光纤9拉紧，同时使光纤光栅7与拉簧8处于拉紧状态，在法兰6与传输光纤9之间涂硬质胶体。

步骤七：待胶体风干后，将支架1通过螺纹固定在钢管壁上，并在钢管内浇筑混凝土。

步骤八：待混凝土能够承受传感器重力时，拆卸连接固定端子4与外套管2的螺丝，该传感器安装完毕。

为了实现本实用新型的目的，在位移标准试验台上对该传感器进行了性能标定试验，所得实验结果如图2所示。

本实用新型的工作原理为钢管混凝土界面出现裂缝或脱空时，由于外套管与底座埋在混凝土中，因此将随之移动，拉动拉簧使其伸长，与其串联的光纤光栅在拉力下产生轴向应变。假设裂缝宽度为Δx，光纤光栅和拉簧的伸长量分别为Δx₁、Δx₂，有：

Δx₁+Δx₂＝Δx

假设由于裂缝变化使拉簧所受拉力为F，光纤光栅和拉簧的胡克系数分别为K₁和K₂。由胡克定律可得：

Δx_i＝F/K_i

上式中i＝1、2。

由于光纤光栅和拉簧串联，二者所受拉力均为F，可以得出：

因此：

假设该传感器中受到拉力作用的光纤的长度为L，被测裂缝Δx引起的光纤光栅中心波 长的漂移Δλ_B可表示为：

可得当拉簧与光纤光栅确定后，K_ε、K₁、K₂、L均不变，此时光纤光栅的中心波长的变化量和被测裂缝宽度之间呈现良好的线性关系。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化。

2.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述固定机构包括固定端子、支架和法兰，所述固定端子为中空结构，上端设置有法兰，法兰内部贯穿有传输光纤，所述支架设置于固定端子下端。

3.如权利要求2所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述活动机构包括外套管与底座，所述外套管活动套装与固定机构内部，所述底座的一端固定于混凝土内部，一端固定套装于外套管内部，或所述底座外部为锯齿状结构，且底部中心有小孔。

4.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述光纤光栅、弹性元件与传输光纤的外侧设置有内套管，所述内套管一端固定于底座内部，一端连接法兰内侧。

5.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述弹性元件为拉簧，所述拉簧为螺旋结构，且两端钢丝沿拉簧的中轴线，其中一端与底座固定连接，另一端与光纤光栅固定连接。

6.如权利要求3所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述支架为不锈钢桶状结构，通过螺纹固定在钢管壁上，所述外套管一端与支架滑动连接，另一端通过螺纹与底座固定连接，且其顶部沿管壁留有两个螺孔。

7.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述光纤光栅为光纤Bragg光栅，且其表面涂覆增韧有机材料。

8.如权利要求2所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述法兰焊接在固定端子外部，内部与内套管滑动连接，传输光纤从法兰引出。

9.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述光纤光栅的中心波长的变化量和被测裂缝宽度之间呈线性关系。