專利名稱：表面式雙層封裝光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及表面粘貼式傳感器，具體涉及用于橋梁健康監(jiān)測(cè)的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器。
背景技術(shù)：
土木工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形的監(jiān)測(cè)需要各種類型的傳感器材。土木工程結(jié)構(gòu)往往是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重大結(jié)構(gòu)，保證其健康運(yùn)行有重大意義。通過(guò)各種傳感器測(cè)量土木工程結(jié)構(gòu)在外載的作用下的有關(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，傳感器的性能對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的準(zhǔn)確性由決定意義。以光纖布拉格光柵為核心的傳感器與傳統(tǒng)的電子和機(jī)械傳感器相比較，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、不受電磁干擾、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。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)，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。光纖光柵傳感器的光柵刻寫在光纖上，光纖既是傳感器又是傳輸媒介，可以將所有傳感系統(tǒng)的光柵集成到一根光纖上，采用靈活多樣的調(diào)制傳感技術(shù)，測(cè)量信號(hào)的種類多樣。光纖光柵傳感器的信號(hào)載體為激光，在光纖中傳輸?shù)膿p耗極低，適合于長(zhǎng)距離傳輸和監(jiān)控。利用光纖光柵的特性，可以制成抗惡劣環(huán)境的光纖光柵傳感器用于在高電壓環(huán)境下等電磁干擾強(qiáng)烈的地方，此時(shí)傳統(tǒng)傳感器無(wú)法勝任；也可以利用激光的抗干涉性，制成準(zhǔn)分布或者分布式光纖傳感器，在結(jié)構(gòu)上大量布置，它不僅能測(cè)量傳感器處的變形或應(yīng)カ等物理量，而且同時(shí)可以得知位置，這樣ー根光纖通路就可以測(cè)出結(jié)構(gòu)參數(shù)大致的分布狀態(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)カ的監(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)カ和變形的自監(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)在ー根光纖中串接多個(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)。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)變等光纖光柵的影響都是不可忽略的。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。光柵刻寫在玻璃纖維上，在土木工程施工中，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。因此，目前急需ー種既能保證光纖光柵傳感器在實(shí)際測(cè)量中穩(wěn)定工作，又相對(duì)廉價(jià)的封裝及制作方法。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供表面式雙層封裝光纖光柵傳感器。本實(shí)用新型的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器可有效避免橫向應(yīng)變的影響，具體技術(shù)方案如下。表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，包括第一尾纖、第二尾纖、光纖光柵、光柵支撐架、第一護(hù)套、第二護(hù)套和開有凹槽的外殼，所述第一尾纖熔接在光纖光柵的一端，所述第ニ尾纖熔接在光纖光柵的另一端；第一護(hù)套和第二護(hù)套分別燒融在外殼兩端，用于加強(qiáng)所述第一尾纖和第二尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；外殼中的凹槽內(nèi)安放有第一支撐套和第二支撐套，光纖光柵粘結(jié)在光柵支撐架上，光柵支撐架放置在第一支撐套和第二支撐套上，光柵支撐架兩端粘牢固定在外殼中，光柵支撐架的中間部分則處于懸空狀態(tài)。上述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器中，所述外殼由開有所述凹槽的兩片條鋼構(gòu)成，光柵支撐架兩端采用環(huán)氧樹脂粘牢固定在兩片條鋼上。上述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器中，所述光柵支撐架為一根高強(qiáng)鋼絲。上述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器中，所述光纖光柵通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)到所述高強(qiáng)鋼絲上。
·[0012]上述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器中，第一尾纖、第二尾纖均套有熱縮管。上述ー種表面式雙層封裝光纖光柵傳感器的制作方法，其包括如下步驟I)將第一尾纖、第二尾纖套上熱縮管；2)截取光纖光柵，使光柵位于中間位置；3)將第一尾纖、第二尾纖各自與所述光纖光柵兩端的裸纖熔接到一起；4)將光纖光柵上含光柵的裸纖用環(huán)氧樹脂粘結(jié)到光柵支撐架上；5)燒融第一護(hù)套和第二護(hù)套，使第一護(hù)套、第二護(hù)套位于所述傳感器外殼的端部，用于加強(qiáng)尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；6)將第一支撐套和第二支撐套放置在外殼的凹槽內(nèi)，將粘貼有光纖光柵的光柵支撐架放置在第一支撐套和第二支撐套上，使光纖光柵與所述尾纖的兩個(gè)熔接頭位于所述護(hù)套與外殼端部之間的區(qū)域，在該區(qū)域注入環(huán)氧樹脂；7)擰緊構(gòu)成所述外殼的兩片條鋼上的四個(gè)螺栓完成封裝。本實(shí)用新型通過(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。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較有如下優(yōu)點(diǎn)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)。表面粘貼式的光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)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。雙層封裝結(jié)構(gòu)可以很好的保護(hù)傳感器抵御外界的侵襲。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)適用于現(xiàn)行的各種大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)表面的溫度與應(yīng)力、應(yīng)變和變形的監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)大中型混凝土橋梁、鋼箱梁橋的應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

圖I是實(shí)施方式中的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施方式中桿型光纖光柵傳感器應(yīng)變-中心波長(zhǎng)圖。
具體實(shí)施方式
[0028]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)ー步說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。如圖1，ー種表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，包括第一尾纖I、第二尾纖8、光纖光柵6、光柵支撐架3、第一護(hù)套2、第二護(hù)套9和開有凹槽的外殼5，所述第一尾纖I熔接在光纖光柵6的一端，所述第二尾纖8熔接在光纖光柵6的另一端；第ー護(hù)套2和第二護(hù)套9分別燒融在外殼兩端，用于加強(qiáng)所述第一尾纖和第二尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；外殼中的凹槽內(nèi)安放有第一支撐套4和第二支撐套7，光纖光柵6粘結(jié)在光柵支撐架3上，光柵支撐架3放置在第一支撐套4和第二支撐套7上，光柵支撐架3兩端粘牢固定在外殼中，光柵支撐架3的中間部分則處于懸空狀態(tài)。所述外殼由開有所述凹槽的兩片條鋼構(gòu)成，光柵支撐架 3兩端采用環(huán)氧樹脂粘牢固定在兩片條鋼上。所述光柵支撐架3為ー根高強(qiáng)鋼絲。所述光纖光柵6通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)到所述高強(qiáng)鋼絲上。第一尾纖I、第二尾纖8均套有熱縮管。上述表面式雙層封裝光纖光柵傳感器的制作方法，包括如下步驟I)將第一尾纖I、第二尾纖8套上熱縮管；2)截取光纖光柵，使光柵位于中間位置；3)將第一尾纖I、第二尾纖8各自與所述光纖光柵兩端的裸纖熔接到一起；4)將光纖光柵上含光柵的裸纖用環(huán)氧樹脂粘結(jié)到光柵支撐架上；5)燒融第一護(hù)套2和第二護(hù)套9，使第一護(hù)套2、第二護(hù)套9位于所述傳感器外殼的端部，用于加強(qiáng)尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；6)將第一支撐套4和第二支撐套7放置在外殼的凹槽內(nèi)，將粘貼有光纖光柵的光柵支撐架放置在第一支撐套4和第二支撐套7上，使光纖光柵與所述尾纖的兩個(gè)熔接頭位于所述護(hù)套與外殼端部之間的區(qū)域(10、11)，在該區(qū)域注入環(huán)氧樹脂；7)擰緊所述外殼的兩片條鋼上的四個(gè)螺栓12完成封裝。本實(shí)施例中，光纖光柵傳感器的材料分為光柵、外層封裝模板、膠粘劑和輔助材料。其中，為保證表面粘貼式傳感器能很好的傳遞結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變，并滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)要求，外層封裝模板使用性能優(yōu)于普通鋼筋的鋼材；膠粘劑綜合考慮到是否適用于光纖光柵和外層封裝模板的粘結(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)氧樹脂膠。本實(shí)施例中，表面粘貼式光纖光柵傳感器的受カ結(jié)構(gòu)由外層封裝模板、支撐架兩部分組成。外層封裝模板為傳感器的主要構(gòu)件，它是兩片帶凹槽的條形鋼材，長(zhǎng)度為150_，寬度為15臟，凹槽寬3臟，深I(lǐng). 5mm。支撐架是一根小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)，使這根鋼絲支撐在外層封裝模板內(nèi)部。鋼絲兩端采用環(huán)氧樹脂粘牢固定。光纖光柵傳感器的標(biāo)定本實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)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。分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。以上內(nèi)容已經(jīng)對(duì)本實(shí)用新型作了充分的說(shuō)明，以下再舉兩個(gè)應(yīng)用例子。應(yīng)用實(shí)例I :某大橋連續(xù)鋼構(gòu)混凝土表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)，采用圖I所示方條形光纖光柵傳感器的封裝[0044]I)按照本實(shí)用新型的方法進(jìn)行傳感器的制作。2)將箱梁表面混凝土清理干凈，用環(huán)氧樹脂將傳感器粘結(jié)到箱梁表面。3)將傳感器的尾纖進(jìn)行串聯(lián)熔接，得到分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)例2 :某鋼箱梁橋箱梁表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用圖I所示方條形光纖光柵傳感器的封裝 I)按照本實(shí)用新型的方法進(jìn)行傳感器的制作。2)將鋼箱梁鋼板表面防銹漆清除干凈，用環(huán)氧樹脂將傳感器粘結(jié)到箱梁表面，待環(huán)氧樹脂凝固后在鋼箱梁和傳感器表面噴涂防銹漆。3)將傳感器的尾纖進(jìn)行串聯(lián)熔接，得到分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于包括第一尾纖、第二尾纖、光纖光柵、光柵支撐架、第一護(hù)套、第二護(hù)套和開有凹槽的外殼，所述第一尾纖熔接在光纖光柵的一端，所述第二尾纖熔接在光纖光柵的另一端；第一護(hù)套和第二護(hù)套分別燒融在外殼兩端，用于加強(qiáng)所述第一尾纖和第二尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；外殼中的凹槽內(nèi)安放有第一支撐套和第二支撐套，光纖光柵粘結(jié)在光柵支撐架上，光柵支撐架放置在第一支撐套和第二支撐套上，光柵支撐架兩端粘牢固定在外殼中，光柵支撐架的中間部分則處于懸空狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于所述外殼由開有所述凹槽的兩片條鋼構(gòu)成，光柵支撐架兩端采用環(huán)氧樹脂粘牢固定在兩片條鋼上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于所述光柵支撐架為ー根高強(qiáng)鋼絲。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，其特征在于所述光纖光柵通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)到所述高強(qiáng)鋼絲上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面式雙層封裝光纖光柵傳感器,其特征在于第一尾纖、第ニ尾纖均套有熱縮管。
專利摘要本實(shí)用新型提供表面式雙層封裝光纖光柵傳感器，所述傳感器中，第一尾纖熔接在光纖光柵的一端，第二尾纖熔接在光纖光柵的另一端；第一護(hù)套和第二護(hù)套分別燒融在外殼兩端，用于加強(qiáng)所述第一尾纖和第二尾纖與外殼的連接強(qiáng)度；外殼中的凹槽內(nèi)安放有第一支撐套和第二支撐套，光纖光柵粘結(jié)在光柵支撐架上，光柵支撐架放置在第一支撐套和第二支撐套上，光柵支撐架兩端粘牢固定在外殼中，光柵支撐架的中間部分則處于懸空狀態(tài)為了使其適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)物表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)的需要。本實(shí)用新型使粘貼有光柵的鋼絲兩端緊固，中間懸空，有效避免因橫向應(yīng)變產(chǎn)生的誤差，從而有效消除了橫向應(yīng)變對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
文檔編號(hào)G01D21/02GK202433038SQ20122000071
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者劉云生, 劉澤佳, 劉逸平, 湯立群, 羅廣發(fā), 羅立峰, 黃成造 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 廣東省公路管理局