專(zhuān)利名稱：埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及各種大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)力、應(yīng)變和變形的監(jiān)測(cè)技術(shù)，特別涉及用于監(jiān)測(cè)大中型混凝土橋梁內(nèi)部應(yīng)變的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
土木工程結(jié)構(gòu)的施工及使用安全問(wèn)題的解決依賴于預(yù)先埋設(shè)各種類(lèi)型的傳感器材。土木工程結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的主要要求是在外載的作用下，通過(guò)測(cè)量與結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種參數(shù)，從強(qiáng)度、剛度、抗裂性及結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞形態(tài)來(lái)判明結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，估計(jì)結(jié)構(gòu)的承載能力，確定結(jié)構(gòu)本身與其使用要求的符合程度。與傳統(tǒng)的電子和機(jī)械傳感器相比較，以光纖布拉格光柵為核心的傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、可靠性高、體積小以及可埋入智能材料等優(yōu)點(diǎn)。適用于強(qiáng)電磁干擾，輻射、腐蝕環(huán)境，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁，水壩，飛行器，艦船，油井等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此光纖布拉格傳感技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。光纖傳感器既是傳感器又是傳輸媒介，將所有傳感系統(tǒng)的硬件集成到一根光纖上，采用靈活多樣的調(diào)制傳感技術(shù)，測(cè)量信號(hào)的種類(lèi)多樣。同時(shí)光纖傳感器的損耗極低，適合于長(zhǎng)距離傳輸和監(jiān)控，這在一些大型的土木工程結(jié)構(gòu)中尤其重要。目前最有發(fā)展和應(yīng)用前景的有兩類(lèi)光纖傳感器一類(lèi)為抗惡劣環(huán)境的光線傳感器。如需埋入混凝土內(nèi)部或在高電壓環(huán)境下等，此時(shí)傳統(tǒng)傳感器無(wú)法勝任。另一類(lèi)為準(zhǔn)分布或者分布式光纖傳感器，它不僅能測(cè)量傳感器處的變形或應(yīng)力等物理量，而且同時(shí)可以得知位置，這樣一根光纖通路就可以測(cè)出結(jié)構(gòu)參數(shù)大至的分布狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域I)混凝土的養(yǎng)護(hù)中的溫度與應(yīng)力的監(jiān)測(cè)；2)混凝土機(jī)構(gòu)裂縫的自監(jiān)測(cè)和自診斷；3)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和變形的自監(jiān)測(cè)；4)混凝土結(jié)構(gòu)配合的鋼筋(索)應(yīng)力和變形的自監(jiān)測(cè)。在以上的應(yīng)用范圍中結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量監(jiān)測(cè)是光纖傳感器應(yīng)用比較廣泛的領(lǐng)域。主要利用光纖光柵自身測(cè)量信號(hào)特點(diǎn)，使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個(gè)布喇格光柵進(jìn)行分布式行高分辨率和大范圍測(cè)量，得到更加細(xì)致的結(jié)構(gòu)參數(shù)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的局部載荷的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的工程化和實(shí)用化，傳感器的穩(wěn)定性和實(shí)用性是必須要關(guān)注的。光柵是刻寫(xiě)在極細(xì)的光纖上，極其脆弱，在土木工程施工中，傳感器要經(jīng)受各種外力作用，若保護(hù)不夠良好，光纖光柵傳感器非常容易受到損傷。因此使用的光纖光柵時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行良好的封裝，封裝的結(jié)構(gòu)和樣式易于現(xiàn)場(chǎng)的安裝。本發(fā)明的光纖光柵傳感器目前已經(jīng)在多座大中跨徑的混凝土箱梁橋上用于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，取得了良好效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器及其制作方法，既能保證光纖光柵傳感器在實(shí)際混凝土構(gòu)件中穩(wěn)定工作，又降低封裝成本。通過(guò)本發(fā)明的封裝設(shè)計(jì)，可有效避免橫向應(yīng)變的影響，具體技術(shù)方案如下。埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，包括尾纖、金屬波紋管、熱縮管護(hù)套、光纖光柵、 光柵支撐架、外層封裝鋼管、第一支撐套、第二支撐套和堵頭，所述尾纖穿過(guò)金屬波紋管，金屬波紋管的一端套有用于燒融后加強(qiáng)尾纖與外層封裝鋼管的連接強(qiáng)度的所述熱縮管護(hù)套， 穿出熱縮管護(hù)套的尾纖的一端與所述光纖光柵的裸纖熔接，光纖光柵的裸纖還緊密地粘貼在光柵支撐架上，所述第一支撐套、第二支撐套套在粘貼有所述光纖光柵的光柵支撐架，光柵支撐架從外層封裝鋼管的一端插入外層封裝鋼管中，光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端通過(guò)粘膠劑固定，外層封裝鋼管的另一端設(shè)有所述堵頭。作為上述埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的優(yōu)化技術(shù)方案，所述熱縮管護(hù)套燒融后位于外層封裝鋼管的一端。作為上述埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的優(yōu)化技術(shù)方案，光纖光柵的裸纖通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂緊密地粘貼在光柵支撐架上。作為上述埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的優(yōu)化技術(shù)方案，光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端通過(guò)注入環(huán)氧樹(shù)脂固定。作為上述埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的優(yōu)化技術(shù)方案，光柵支撐架為一根高強(qiáng)度鋼絲。作為上述埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的優(yōu)化技術(shù)方案，光纖光柵的光柵段與外層封裝鋼之間有間隙。本發(fā)明的一種埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的制作方法，包括如下步驟
1)尾纖穿過(guò)金屬波紋管，金屬波紋管一端套上熱縮管護(hù)套；
2)截取一段光纖光柵；
3)將尾纖與光纖光柵的裸纖熔接到一起；
4)將光纖光柵的裸纖用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)到光柵支撐架上；
5)燒融熱縮管護(hù)套使熱縮管護(hù)套位于外層封裝鋼管的端部，加強(qiáng)尾纖與外層封裝鋼管的連接強(qiáng)度；
6)將第一支撐套、第二支撐套套在粘貼有光纖光柵的所述光柵支撐架上，使光柵支撐架支撐在鋼管內(nèi)部；
7)將支撐架插入外層封裝鋼管中，從鋼管兩端的區(qū)域注入環(huán)氧樹(shù)脂，使光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端之間固定，確保光纖光柵的的光柵段不與外層封裝鋼管接觸；
8)裝上堵頭即可完成傳感器制作。光纖光柵的測(cè)量結(jié)果的可靠性特別的依賴被測(cè)點(diǎn)的溫度的測(cè)量準(zhǔn)確和橫向應(yīng)變影響的大小。尤其在實(shí)際工程應(yīng)用中，溫度和橫向應(yīng)變等對(duì)埋入的光纖光柵的影響都是不可忽略的。通過(guò)簡(jiǎn)易封裝設(shè)計(jì)，使粘貼有光柵的鋼絲兩端緊固，中間懸空，從而有效消除了橫向應(yīng)變對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果
I)制作方法簡(jiǎn)易，成本合理。2)經(jīng)過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用的檢驗(yàn)。埋入式的傳感器設(shè)計(jì)易于現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)，傳感器保護(hù)良好，能夠抵抗混凝土澆筑過(guò)程中對(duì)傳感器的沖擊荷載，表面式傳感器易于在混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行黏貼，并易于在鋼構(gòu)件表面進(jìn)行焊接。3)該光纖光柵傳感器性能穩(wěn)定，可以有效的進(jìn)行土木工程的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。4)目前已經(jīng)在多座大中跨徑的混凝土箱梁橋及一座大跨徑鋼箱梁斜拉懸索橋上被用于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，取得了良好效果。


圖I為實(shí)施方式中一種埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施方式中傳感器的應(yīng)變-布拉格中心波長(zhǎng)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。如圖I，一種埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，包括尾纖I、金屬波紋管10、熱縮管護(hù)套2、光纖光柵5、光柵支撐架4、外層封裝鋼管6、第一支撐套3、第二支撐套7和堵頭8， 所述尾纖I穿過(guò)金屬波紋管10，金屬波紋管10的一端套有用于燒融后加強(qiáng)尾纖I與外層封裝鋼管6的連接強(qiáng)度的所述熱縮管護(hù)套2，穿出熱縮管護(hù)套2的尾纖I的一端與所述光纖光柵5的裸纖熔接，光纖光柵5的裸纖還緊密地粘貼在光柵支撐架4上，所述第一支撐套
3、第二支撐套7套在粘貼有所述光纖光柵5的光柵支撐架4，支撐架4從外層封裝鋼管 6的一端插入外層封裝鋼管6中，光柵支撐架4與外層封裝鋼管兩端通過(guò)粘膠劑固定，外層封裝鋼管6的的另一端設(shè)有所述堵頭8。所述熱縮管護(hù)套2燒融后位于外層封裝鋼管6的一端。光纖光柵5的裸纖通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂緊密地粘貼在光柵支撐架4上。光柵支撐架4與外層封裝鋼管兩端通過(guò)注入環(huán)氧樹(shù)脂固定。光柵支撐架4為一根高強(qiáng)度鋼絲。光纖光柵5的光柵段與外層封裝鋼6之間有間隙。本實(shí)施例中，外層封裝鋼管6為傳感器的主要受力構(gòu)件，它是在一根內(nèi)徑為Φ4， 外徑為Φ6的冷拔鋼管，長(zhǎng)度為120mm。支撐架是一根Φ 2的高強(qiáng)度鋼絲，將光纖光柵緊密的粘貼在這根鋼絲上，在光柵段的兩端分別做成支架結(jié)構(gòu)，使這根鋼絲支撐在鋼管內(nèi)部，具體機(jī)構(gòu)如圖I所示。鋼絲兩端采用環(huán)氧樹(shù)脂粘牢固定。本實(shí)例中一種埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的制備方法如下
1)尾纖I穿過(guò)金屬波紋管10，金屬波紋管10套上熱縮管護(hù)套2
2)截取IOcm長(zhǎng)的光纖光柵5，使光纖光柵5位于中間位置；
3)將尾纖I與光纖光柵5的裸纖熔接到一起；
4)將光纖光柵5的裸纖用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)到鋼絲支撐架4；
5)燒融熱縮管護(hù)套2使熱縮管護(hù)套2位于外層封裝鋼管6的端部，加強(qiáng)尾纖與外層封裝鋼管6的連接強(qiáng)度；
6)將第一支撐套3、第二支撐套7套在粘貼有光纖光柵5的支撐架4上，第一支撐套3、 第二支撐套7的具體位置根據(jù)尾纖I和光纖光柵5的熔接位置做調(diào)整，使熔接頭位于護(hù)套與外層封裝端部之間的區(qū)域9 ;
7)將支撐架4插入外層封裝鋼管中，從鋼管兩端的區(qū)域(9、11)注入環(huán)氧樹(shù)脂；8)裝上堵頭8即可完成傳感器制作。本實(shí)例中光纖光柵傳感器的材料包括光柵、鋼管、鋼絲、膠粘劑等。其中，為保證埋入式傳感器能很好的傳遞混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的應(yīng)變，并滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)要求，外殼層封裝所采用的鋼管的使用性能優(yōu)于普通鋼筋；膠粘劑綜合考慮到是否適用于光纖光柵和外殼模板的粘結(jié)性能，是否具有較高的抗剪強(qiáng)度和耐久性，及能否有利于封裝過(guò)程的順利進(jìn)行等因素而選擇環(huán)氧樹(shù)脂膠。本實(shí)施方式中，光纖光柵傳感器的標(biāo)定標(biāo)定采用的方法與鋼筋計(jì)的標(biāo)定方法相同。得到相應(yīng)的應(yīng)變-布拉格中心波長(zhǎng)關(guān)系，如圖2所示，可以看出傳感器的布拉格中心波長(zhǎng)變化和所傳遞的外界應(yīng)變變化有很好的線性關(guān)系。應(yīng)用實(shí)例I :某大橋連續(xù)鋼構(gòu)混凝土內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的封裝
O根據(jù)上述的光纖光柵傳感器制作方法制作光纖光柵傳感器。2)將傳感器綁扎在鋼筋籠上，金屬波紋管順著鋼筋籠引出模板，澆筑混凝土。3 )對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。應(yīng)用實(shí)例2 :某大橋橋面鋪裝層內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的封裝
O根據(jù)上述的光纖光柵傳感器制作方法制作光纖光柵傳感器。2)將傳感器固定在箱梁頂板上，沿橫橋向?qū)⒂山饘俨y管保護(hù)的尾纖引到護(hù)欄位置，鋪設(shè)橋面鋪裝層。3)對(duì)橋面鋪裝進(jìn)行靜載實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用光纖光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于包括尾纖、金屬波紋管、熱縮管護(hù)套、 光纖光柵、光柵支撐架、外層封裝鋼管、第一支撐套、第二支撐套和堵頭，所述尾纖穿過(guò)金屬波紋管，金屬波紋管的一端套有用于燒融后加強(qiáng)尾纖與外層封裝鋼管的連接強(qiáng)度的所述熱縮管護(hù)套，穿出熱縮管護(hù)套的尾纖的一端與所述光纖光柵的裸纖熔接，光纖光柵的裸纖還緊密地粘貼在光柵支撐架上，所述第一支撐套、第二支撐套套在粘貼有所述光纖光柵的光柵支撐架，光柵支撐架從外層封裝鋼管的一端插入外層封裝鋼管中，光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端通過(guò)粘膠劑固定，外層封裝鋼管的另一端設(shè)有所述堵頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于所述熱縮管護(hù)套燒融后位于外層封裝鋼管的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于光纖光柵的裸纖通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂緊密地粘貼在光柵支撐架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端通過(guò)注入環(huán)氧樹(shù)脂固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于光柵支撐架為一根高強(qiáng)度鋼絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5任一項(xiàng)所述的埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器,其特征在于光纖光柵的光柵段與外層封裝鋼之間有間隙。
7.—種埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器的制作方法，其特征在于包括如下步驟1)尾纖I穿過(guò)金屬波紋管，金屬波紋管一端套上熱縮管護(hù)套；2)截取一段光纖光柵；3)將尾纖與光纖光柵的裸纖熔接到一起；4)將光纖光柵的裸纖用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)到光柵支撐架上；5)燒融熱縮管護(hù)套使熱縮管護(hù)套位于外層封裝鋼管的端部，加強(qiáng)尾纖與外層封裝鋼管的連接強(qiáng)度；6)將第一支撐套、第二支撐套套在粘貼有光纖光柵的所述光柵支撐架上，使光柵支撐架4支撐在鋼管內(nèi)部；7)將支撐架插入外層封裝鋼管中，從鋼管兩端的區(qū)域注入環(huán)氧樹(shù)脂，使光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端之間固定，確保光纖光柵的的光柵段不與外層封裝鋼管接觸；8)裝上堵頭即可完成傳感器制作。
全文摘要
本發(fā)明提供了埋入式雙層封裝光纖光柵傳感器及其制作方法，所述傳感器包括尾纖、金屬波紋管、熱縮管護(hù)套、光纖光柵、光柵支撐架、外層封裝鋼管、第一支撐套、第二支撐套和堵頭，尾纖穿過(guò)金屬波紋管，金屬波紋管的一端套有熱縮管護(hù)套，穿出熱縮管護(hù)套的尾纖的一端與光纖光柵的裸纖熔接，光纖光柵的裸纖粘貼在光柵支撐架上，第一支撐套、第二支撐套套在粘貼有光纖光柵的光柵支撐架，光柵支撐架從外層封裝鋼管的一端插入外層封裝鋼管中，光柵支撐架與外層封裝鋼管兩端通過(guò)粘膠劑固定，外層封裝鋼管的另一端設(shè)有所述堵頭。所述制作方法采用雙層封裝，在封裝中確保光柵部分和保護(hù)殼結(jié)構(gòu)分離，既能有效的保護(hù)光柵，又能有效避免因橫向應(yīng)變產(chǎn)生的誤差。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102607611SQ20121007716
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者何庭蕙, 劉澤佳, 劉逸平, 張紅, 張純禹, 楊寶, 桑登峰, 湯立群, 蔣斌, 陳金明 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)