CN210513233U - 一种gfrp超弱光纤光栅的传感光纤 - Google Patents

Abstract

一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，包括由光纤预制棒拉制而成的纤芯、包层，所述纤芯上刻写有多个超弱光纤光栅传感单元，所述包层外围紧密包裹有GFRP涂覆层。所述纤芯、包层由G.657类的光纤预制棒拉制而成。本实用新型一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，采用G.657光纤预制棒拉纤，免剥皮刻写超弱光栅阵列后，直接或二次涂覆GFRP涂层制成超弱光纤光栅的传感光纤。该发明避免了传统光纤中内涂层的蠕变影响，降低了GFRP涂覆时微弯损耗的影响，可通过机械固定直接检测应力/应变，具有应变量程大、重复性好、易于敷设等优点，在光纤光栅应变监测领域具有良好的应用前景。

Description

一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤

技术领域

本实用新型涉及传感光纤技术领域，具体涉及一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤。

背景技术

自2011年弗吉利亚理工大学王安波课题组提出超弱光纤光栅(以下简称“超弱光栅”)的概念以后，其具有的大容量、高灵敏度、多参量、分布式测量等显著优点，逐渐获得传感业界的认可。尤其是在2014年以后，德国FBGS、武汉理工大学、德国FFT公司等先后实现超弱光栅的批量制备，进一步促进了超弱光栅传感技术的推广应用。

超弱光栅无需剥皮刻写，具有良好的机械强度，易于多点布设方便，在工程结构的温度、应变监测中深受欢迎。众所周知，光纤纤芯的应变与波长漂移之间具有良好的线性关系。然而，普通在线刻写或准分子激光刻写的超弱光栅阵列，光纤本身的制备工艺与通信光纤类似，涂覆层多为双层丙烯酸酯涂覆，其中内层为缓冲层，弹性模量低，应力传递效果差。将这种超弱光栅阵列直接应用于工程监测，会产生应变失真、蠕变等现象，直接影响工程监测的效果；基于上述超弱光栅成缆，如果采取传统光栅的的封装工艺，先剥除传统涂覆层后再涂覆特种涂层，如不仅会导致超弱光栅本身的强度优势丧失，也给后续成缆和卷绕造成困难，无法发挥超弱光栅大容量分布式线性测量的优势。FRP(纤维增强塑料)在传统光纤光栅(专利“纤维增强塑料-光纤光栅传感筋”，专利号：02132998.2；专利“一种纤维增强塑料智能碳板及其制备方法”，专利号：201610292507.8)的封装中已有应用，但这种封装方法既没有考虑光纤光栅内涂层的滑移问题，也没有考虑因增强纤维封装后残余应力导致光纤微弯损耗增加的问题，目前只能用于诸如智能加强筋、锚杆等短距离、小应变的传感监测。因此，在超弱光栅传感光纤增加GFRP涂覆层，需要解决光纤涂层应变传递效率、微弯损耗等一系列的技术和工艺上的难题。

发明内容

针对现有超弱光纤光栅传感器普遍存在强度低、结构复杂、应变传递效果差、安装困难等问题。本实用新型提出了一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，该传感光纤采用G.657光纤预制棒拉纤，免剥皮刻写超弱光栅阵列后，直接涂覆GFRP涂层制成内嵌超弱光纤光栅阵列的传感光纤。避免了传统光纤中内涂层的蠕变影响，降低了GFRP涂覆时残余应力微弯损耗的影响，可通过机械固定直接检测应力/应变，具有应变量程大、重复性好、易于敷设等优点，在光纤光栅应变监测领域具有良好的应用前景。

本实用新型采取的技术方案为：

一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，包括由光纤预制棒拉制而成的纤芯、包层，所述纤芯上刻写有多个超弱光纤光栅传感单元，所述包层外围紧密包裹有GFRP涂覆层。

所述纤芯、包层由G.657类的光纤预制棒拉制而成。

所述GFRP涂覆层为70％环氧树脂和30％的玻璃纤维混合物。

所述GFRP涂覆层直径：0.90mm～2.0mm。

该传感光纤还包括涂覆层，所述涂覆层与纤芯、超弱光纤光栅传感单元、包层构成单涂层光纤。所述涂覆层为透紫外的热固化涂层，或者是高弹性模量的涂层。所述单涂层光纤二次涂覆GFRP材料后形成双涂层的传感光纤。

所述GFRP涂覆层上二次涂覆GFRP材料，构成直径大于2.0mm的GFRP超弱光纤光栅加强筋。

该传感光纤直接嵌入到被测对象中，与超弱光纤光栅分析仪连接，构成超弱光纤光栅传感系统，用于的应变、温度场监测。

本实用新型一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，具有以下有益效果：

1)光纤强度高，应变监测效果好：

在光纤包层上直接涂覆GFRP，或者涂敷性能良好的单涂层材料后二次涂覆GFRP，机械强度大幅提高，尤其是抗拉、抗压强度显著改善；由于GFRP材料与纤芯材料相似，能消除了传统光纤的蠕变现象，应变传递效率高，重复性好，可用于静态或动态应变的测量；拉伸应变量程大于1％，线性度好。

2)安装运输方便:

GFRP应变传递效率高，强度高，可以直接和被测对象粘贴，也可以采用机械结构紧固，无需施加预应力，安装方便；此外，GFRP光纤可以弯曲绕盘，运输方便；光纤表面的单涂层既保证光纤的正常生产和盘绕，也利于从GFRP包覆中剥离出光纤，方便工程中的接续。

3)结构简单，易于自动化批量生产:

GFRP超弱光纤光栅传感光纤与普通光纤类似，可以利用通信行业中的GFRP设备批量制备，再根据具体应用场景，调整GFRP中的玻璃纤维和树脂材料的比例，或简单的二次热挤拉加工，生产各种强度的GFRP应变传感器或加强筋

附图说明

图1为本实用新型的GFRP超弱光纤光栅的传感光纤截面示意图；

其中：1为纤芯；2为超弱光纤光栅传感单元；3为包层；4为GFRP涂覆层，5为涂覆层，6超弱光纤光栅分析仪。

图2为本实用新型的传感器应变特性图；

图2中，随机抽取某个超弱光栅的应变线性度在0.999以上。

图3为钢结构表面GFRP超弱光纤光栅的安装示意图；

图3中，GFRP超弱光纤光栅采用两端固定方式，中间预留20mm，两端点胶长度大于20mm。

具体实施方式

一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，包括由光纤预制棒拉制而成的纤芯1、包层3，所述纤芯1上刻写有多个超弱光纤光栅传感单元2，反射率在0.001％～0.1％，间距可以灵活定制。所述包层3外围紧密包裹有GFRP涂覆层4。

所述纤芯1、包层3由G.657类的光纤预制棒拉制而成。可抑制二次包覆产生的微弯损耗。例如，传统G.652光纤预制棒制作的GFRP光栅阵列，衰减大于50dB/km，改用G.657光纤后，损耗大幅度降低，可制作公里级的超弱光纤光栅传感光纤。

多个超弱光纤光栅传感单元2中心波长可以相同，也可以不同。所述超弱光纤光栅传感单元2的反射率为0.1％～0.01％，可以通过时分或波分复用构成密集的超弱光栅阵列。例如，为了方便解调，可以在波长1528nm～1568nm范围内，重复刻写波长1531nm、1543nm、1555nm的光栅，光栅间隔大于1米，以方便时域上进行分辨。

所述GFRP涂覆层4为70％环氧树脂和30％的玻璃纤维混合物。直径约0.90mm或2.0mm。例如，1.0的GFRP超弱光栅应变传感器，可采用4根1000D的玻璃纤维和适量的环氧树脂混合后进行包覆。此外，直径小于2.0mm的GFRP光纤可以方便绕盘。

该传感光纤还包括涂覆层5，所述涂覆层5与纤芯1、超弱光纤光栅传感单元2、包层3构成单涂层光纤。再经过GFRP材料的二次涂覆后形成双涂层的传感光纤。涂覆层5可以是透紫外的热固化涂层，在GFRP热挤拉成型时和GFRP有机结合，能有效传递应变；或者是高弹性模量的涂层，如改性有机陶瓷涂覆层，在GFRP热挤拉成型紧密结合，既可以有效传递应变，也方便剥皮熔接。

优选方案中，通过在GFRP涂覆层4进一步涂覆GFRP材料，可制成直径大于2.0mm的GFRP超弱光纤光栅加强筋。这种加强筋可以采用高强度树脂直接粘贴或机械固定在结构表面，通过监测结构表面的应变变化，评估结构的位移、面形变化及工作状态。如体育馆桁架结构卸载时的载荷变化。

将本实用新型一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，直接嵌入到被测对象中，如大型结构、滑坡体、高速公路路基等，通过与超弱光纤光栅分析仪6(型号：RS-HFBGA-04,生产厂家：宜昌睿传光电技术有限公司)连接组合，构成超弱光纤光栅传感系统，可用于应变、温度场监测。该系统的应变传感精度可达到1με，温度精度在0.5℃，光纤批量制备工艺成熟，有望逐步取代传统FBG和BOTDR的部分应用。

本实用新型一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，采用G.657光纤预制棒拉纤，免剥皮刻写超弱光栅阵列后，直接或二次涂覆GFRP涂层制成超弱光纤光栅的传感光纤。该发明避免了传统光纤中内涂层的蠕变影响，降低了GFRP涂覆时微弯损耗的影响，可通过机械固定直接检测应力/应变，具有应变量程大、重复性好、易于敷设等优点，在光纤光栅应变监测领域具有良好的应用前景。

Claims (8)

1.一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于，包括由光纤预制棒拉制而成的纤芯（1）、包层（3），所述纤芯（1）上刻写有多个超弱光纤光栅传感单元（2），所述包层（3）外围紧密包裹有GFRP涂覆层（4）。

2.根据权利要求1所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：所述纤芯（1）、包层（3）由G.657类的光纤预制棒拉制而成。

3.根据权利要求1所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：所述GFRP涂覆层（4）直径：0.90mm~2.0mm。

4.根据权利要求1所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：该传感光纤还包括涂覆层（5），所述涂覆层（5）与纤芯（1）、超弱光纤光栅传感单元（2）、包层（3）构成单涂层光纤。

5.根据权利要求4所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：所述涂覆层（5）为透紫外的热固化涂层，或者是高弹性模量的涂层。

6.根据权利要求4所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：所述单涂层光纤二次涂覆GFRP材料后，形成双涂层的传感光纤。

7.根据权利要求1所述一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：所述GFRP涂覆层（4）上二次涂覆GFRP材料，构成直径大于2.0mm的GFRP超弱光纤光栅加强筋。

8.如权利要求1~7所述任意一种GFRP超弱光纤光栅的传感光纤，其特征在于：该传感光纤直接嵌入到被测对象中，与超弱光纤光栅分析仪(6)连接，构成超弱光纤光栅传感系统，用于的应变、或者温度场监测。

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