專利名稱：分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于結(jié)構(gòu)設(shè)施的健康檢測和監(jiān)測的分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器及其制造方法，屬于光纖應(yīng)變傳感器制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測包括整體與局部監(jiān)測。以加速度計(jì)為代表的整體監(jiān)測的傳感器已經(jīng)較為成熟，但是大量的研究及工程實(shí)際表明，僅僅基于模態(tài)(頻率、振型等)的整體監(jiān)測方法在結(jié)構(gòu)損傷診斷和參數(shù)識(shí)別上仍然面臨較大的困難。而基于應(yīng)力(應(yīng)變)的局部監(jiān)測，一方面由于相應(yīng)的傳感器在穩(wěn)定性和耐久性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的需要，另一方面，傳統(tǒng)的“點(diǎn)”應(yīng)變片常因局部應(yīng)力集中和裂縫出現(xiàn)而失效，并且在大型土木結(jié)構(gòu)上分布布置也不實(shí)際，但是結(jié)構(gòu)中的局部損傷如果不是出現(xiàn)在安置的傳感器測試范圍之內(nèi)很難被準(zhǔn)確地檢測，從而無法有效地捕捉到事先不可預(yù)知的結(jié)構(gòu)破壞。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器及其制造方法，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測過程中結(jié)構(gòu)整體信息與局部信息的融合，實(shí)現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)的局部破壞診斷如混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測和鋼筋腐蝕及結(jié)構(gòu)整體性能評價(jià)，實(shí)現(xiàn)微小應(yīng)變情況下例如環(huán)境振動(dòng)下的高精度測試，解決傳感器的安裝便宜性，穩(wěn)定性和耐久性問題。
技術(shù)方案本發(fā)明的分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器由多個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器串聯(lián)而成；其中單個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵在光纖布拉格光柵的兩端分別連接有除去涂覆層的單模光纖，在光纖布拉格光柵和除去涂覆層的單模光纖的外部套有套管，套管的兩端分別通過光纖與套管的固定點(diǎn)固定在除去涂覆層的單模光纖上，除去涂覆層的單模光纖的兩端分別通過熔接點(diǎn)與外部的單模光纖光纜相連接，復(fù)合材料封裝層包覆在以上結(jié)構(gòu)的外面。
首先制造單個(gè)長標(biāo)距FBG傳感器封裝結(jié)構(gòu)制作工藝具體步驟如下1)剝落裸光柵附近一段長度(大于標(biāo)距L)光纖的被覆層，酒精清潔后，穿過長度為標(biāo)距長的套管，兩端與光纜熔接；2)用膠將光纖固定在套管的一端，在另一端預(yù)拉以滿足壓應(yīng)變測量的需要，然后固定光纖與套管。之后用膠將套管固定在CFRP線材或片材上，確保套管不彎曲；3)將環(huán)氧樹脂沿CFRP線材或片材均勻涂抹，待樹脂固結(jié)硬化后，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一體共同工作。
關(guān)鍵在于套管的使用，使包含F(xiàn)BG在內(nèi)的光纖在套管內(nèi)部處于自由狀態(tài)，并將光纖固定在套管的兩端，從而形成傳感器內(nèi)部長標(biāo)距范圍內(nèi)光纖的均勻應(yīng)變，確保FBG測量的應(yīng)變代表了長標(biāo)距范圍內(nèi)平均應(yīng)變。
光纖在被固定于套管兩端之前預(yù)拉產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力，有利于測量壓縮變形；利用纖維-樹脂合成的復(fù)合材料做封裝層有助于傳感器的耐久性和長期穩(wěn)定性，以及與各種土木工程材料的良好粘結(jié)和共同工作；本封裝方法將傳感器與普通商用光纜連成整體，體積小，質(zhì)量輕，可借用現(xiàn)有的比較成熟的光纜安裝連接及鋪設(shè)規(guī)范，方便現(xiàn)場安裝；與同類長標(biāo)矩FBG應(yīng)變傳感器相比，可以方便地用樹脂全面粘貼在結(jié)構(gòu)物的表面，不用現(xiàn)場兩端焊接，而且更為重要的是可以埋入結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部。
為了改善上述單個(gè)長標(biāo)距FBG傳感器的性能(如防腐，防水，增敏及溫度補(bǔ)償)，可以將標(biāo)距范圍內(nèi)的光纖在套入套管前進(jìn)行重涂。光纖布拉格光柵的表面涂有第一重涂層，在光纖布拉格光柵旁的除去涂覆層的單模光纖的表面涂有第二重涂層，套管套在第一重涂層和第二重涂層的外面。針對增敏的要求，采用兩種具有不同彈性模量的材料重涂裸光柵，例如用樹脂重涂FBG部分(L0)，用樹脂和纖維的復(fù)合材料重涂剩余部分；(2)針對溫度補(bǔ)償?shù)囊螅捎脙煞N具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料重涂裸光纖，使傳感器的組合溫敏系數(shù)為零；(3)重涂材料要求防水防腐。
用于微小應(yīng)變測試的長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器制作工藝具體步驟如下1)剝落裸光柵附近一段長度(大于標(biāo)距L)光纖的被覆層，酒精清潔；2)采用兩種具有不同彈性模量的材料重涂裸光柵，例如用樹脂重涂FBG部分(L0)，用樹脂和纖維的復(fù)合材料重涂剩余部分；3)將重涂后的光纖穿過長度為標(biāo)距長的套管，兩端與光纜熔接4)用膠將光纖固定在套管的一端，在另一端預(yù)拉以滿足壓應(yīng)變測量的需要，然后固定光纖與套管。之后用膠將套管固定在CFRP線材或片材上，確保套管不彎曲。
5)將環(huán)氧樹脂沿CFRP線材或片材均勻涂抹，待樹脂固結(jié)硬化后，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一體共同工作。
關(guān)于長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償1)關(guān)鍵在于采用兩種具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料重涂裸光纖，使傳感器的組合溫敏系數(shù)為零，即外界溫度變化對傳感器無影響。
2)使用套管，將重涂的光纖在套管內(nèi)部處于自由狀態(tài)，并固定在套管的兩端，；3)光纖在被固定于套管兩端之前預(yù)拉產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力，有利于測量壓縮變形；4)利用纖維-樹脂合成的復(fù)合材料做封裝層有助于傳感器的耐久性和長期穩(wěn)定性，以及與各種土木工程材料的良好粘結(jié)和共同工作；5)本封裝方法將傳感器與普通商用光纜連成整體，體積小，質(zhì)量輕，可借用現(xiàn)有的比較成熟的光纜安裝連接及鋪設(shè)規(guī)范，方便現(xiàn)場安裝；6)與同類長標(biāo)矩FBG應(yīng)變傳感器相比，可以方便地用樹脂全面粘貼在結(jié)構(gòu)物的表面，不用現(xiàn)場兩端焊接，而且更為重要的是可以埋入結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部。
分布式長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器由多個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器串聯(lián)而成。
制造工藝的詳細(xì)敘述1)剝落一系列裸光柵附近一段長度(大于標(biāo)距L)光纖的被覆層，酒精清潔；2)采用兩種具有不同彈性模量和溫度膨脹系數(shù)的材料重涂裸光柵；
3)將重涂后的光纖穿過一以各段標(biāo)距為間隔留有孔隙的套管，在穿過端與光纜熔接；4)用膠將光纖固定在套管的一端，在另一端預(yù)拉以滿足壓應(yīng)變測量的需要，然后在各個(gè)孔隙的位置用膠依次固定光纖與套管；5)用膠將一系列套管固定在CFRP線材或片材上后，統(tǒng)一用環(huán)氧樹脂涂抹。待樹脂固結(jié)硬化后，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一體共同工作。
安裝布置方式復(fù)合材料封裝的FBG傳感器小型輕質(zhì)，能很好地與其它結(jié)構(gòu)材料粘結(jié)，確保了傳感器能方便地埋入或表面安裝于被測結(jié)構(gòu)物而不影響其原有的力學(xué)性能?？紤]分布式長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器的特性，提出了兩種沿被測結(jié)構(gòu)物布置的方式1)全分布式布置。由于結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度無法事先預(yù)知，而應(yīng)變具有局部特性，為了對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，將分布式長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器沿被測結(jié)構(gòu)物進(jìn)行分布式布置。
2)局部分布式布置。結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，事先對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布進(jìn)行預(yù)測，僅在應(yīng)變相對較大的位置布置FBG傳感器。
特點(diǎn)1)關(guān)鍵在于選擇兩種合適的材料重涂裸光纖，一方面彈性模量不同，使長標(biāo)距范圍內(nèi)(L)的變形大部分或全部由包含F(xiàn)BG的中央部分(L0)承擔(dān)，另一方面溫度膨脹系數(shù)不同，使傳感器的組合溫敏系數(shù)為零，即外界溫度變化對傳感器無影響。
2)使用套管，將重涂的光纖在套管內(nèi)部處于自由狀態(tài)，并固定在套管的兩端；3)光纖在被固定于套管兩端之前預(yù)拉產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力，有利于測量壓縮變形；4)利用纖維-樹脂合成的復(fù)合材料做封裝層有助于傳感器的耐久性和長期穩(wěn)定性，以及與各種土木工程材料的良好粘結(jié)和共同工作；5)本封裝方法將傳感器與普通商用光纜連成整體，體積小，質(zhì)量輕，可借用現(xiàn)有的比較成熟的光纜安裝連接及鋪設(shè)規(guī)范，方便現(xiàn)場安裝；6)與同類長標(biāo)矩FBG應(yīng)變傳感器相比，可以方便地用樹脂全面粘貼在結(jié)構(gòu)物的表面，不用現(xiàn)場兩端焊接，而且更為重要的是可以埋入結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部。
7)要實(shí)現(xiàn)分布式測量，圖6示結(jié)構(gòu)可以直接安裝在結(jié)構(gòu)物上確保傳感部分連續(xù)。光纖布拉格光柵(FBG)的基本傳感原理光在光纖布拉格光柵(FBG)的傳輸如圖7所示，理論推導(dǎo)可以證明，為使FBG具有最大反射率和最小的透射率，其中心波長應(yīng)該滿足λB＝2neΛ其中ne為光柵的折射率調(diào)制深度，Λ為柵格周期。目前已有的基于FBG的各種傳感器基本上都是直接或間接地利用應(yīng)變或溫度改變FBG的中心波長，達(dá)到測試物理量的目的。
1)應(yīng)變靈敏度△λB＝λB(1-Pe)*ε其中，Pe是材料的光彈系數(shù)。對于石英光纖，Pe≈0.22。因此對于常用波段λB＝1550nm有△λB＝(1.2pm/με)*ε2)溫度靈敏度△λB＝λB(α+ξ)*△T其中，α使光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ξ是熱光系數(shù)。一般情況下，α＜＜ξ。對于多種光纖，當(dāng)溫度在20～150℃之間時(shí)，ξ≈7.2×10-6/℃；在400℃之間時(shí)，ξ≈10×10-6/℃。因此對于常用波段λB＝1550nm有λB＝(11pm/℃)*△T本發(fā)明主要應(yīng)用了FBG的應(yīng)變靈敏特性，即中心波長受應(yīng)變的影響發(fā)生漂移。并且試圖通過溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?，使FBG不受外界溫度變化的影響。
用于微小應(yīng)變測試的長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器的實(shí)現(xiàn)原理假設(shè)傳感器的標(biāo)距兩端與被測結(jié)構(gòu)物粘結(jié)良好，無相對位移，詳細(xì)的公式推導(dǎo)及說明如下
設(shè)套管內(nèi)的光纖采用兩種不同的封裝材料。δ1，δ0為兩部分的位移，ε1，ε0為相應(yīng)的應(yīng)變，E1，E0為相應(yīng)的彈性模量，A1，A0為相應(yīng)的橫截面面積。
標(biāo)距兩端的總位移δ＝δ1+δ0＝ε1L1+ε0L0套管內(nèi)各點(diǎn)的受力都相同，因此有ϵ1:ϵ0=N0E1A1:N0E0A0=1E1A1:1E0A0]]>故FBG部分的應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;0=δL0+E0A0E1A1(L-L0)]]>平均應(yīng)變ϵ‾=δL=L0+E0A0E1A1(L-L0)Lϵ0=((1-E0A0E1A1)L0L+E0A0E1A1)·ϵ0]]>令αE=E0A0E1A1,]]>αL=L0L]]>則有ε＝(αL+αE-αLαE)·ε0，至此可以得到以下重要結(jié)論a)ε0＝η·ε，其中η=1αL+αE-αLαE]]>稱為放大系數(shù)這里，ε是由被測結(jié)構(gòu)物的變形引起的，大小與傳感器本身無關(guān)；ε0為FBG測量的應(yīng)變。由上式可見，只要選擇合適的αE，αL，即選擇合適的封裝材料和長度，反映到FBG上的應(yīng)變大小可以放大。這極大改善了環(huán)境振動(dòng)下結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變測量值過小容易被噪音淹沒的不利情況，為環(huán)境振動(dòng)應(yīng)變測試開辟了新的途徑。若αE＝1，即采用完全相同的材料封裝傳感器，則有ε＝ε0。這就是我們最初提出的長標(biāo)距FBG傳感器的封裝制作方法。
b)考慮E0＜＜E1，即αE→0，則η≈1αL=LL0,]]>相當(dāng)于傳感器標(biāo)距L范圍的變形完全由套管內(nèi)部L0長度的部分承擔(dān)。
c)目前實(shí)際封裝時(shí)采用高彈模纖維復(fù)合材料封裝圖示綠色部分，用普通環(huán)氧樹脂封裝圖示紅色包含F(xiàn)BG的部分。實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證，該情況下E0＜＜E1，F(xiàn)BG測量的應(yīng)變和實(shí)際結(jié)構(gòu)物的平均應(yīng)變滿足ϵ0=LL0ϵ‾]]>長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)原理假設(shè)傳感器安裝在溫度膨脹系數(shù)為零的被測結(jié)構(gòu)物上，即溫度變化對被測結(jié)構(gòu)物沒有影響。此外假設(shè)被測結(jié)構(gòu)物不受外力，傳感器的標(biāo)距兩端與被測結(jié)構(gòu)物粘結(jié)良好，無相對位移，這里即為零。設(shè)FBG的溫敏系數(shù)為γT，應(yīng)變敏感系數(shù)為γε。
假設(shè)套管內(nèi)的光纖采用兩種不同的封裝材料，δ1，δ0為兩部分的位移，ε1，ε0為相應(yīng)的應(yīng)變，E1，E0為相應(yīng)的彈性模量，C1，C0為相應(yīng)的溫度膨脹系數(shù)，A1，A0為相應(yīng)的橫截面面積。
僅溫度變化引起的總位移δT=δ1T+δ0T=(C1(L-L0)+C0L0)T]]>由于總位移δ＝δT+δN＝0，所以傳感器兩端必然有一外力，設(shè)為N。
因此，由溫度引起的該封裝結(jié)構(gòu)中FBG中心波長的漂移由三部分組成λ＝λ1+λ2+λ3λ1由FBG部分封裝材料的溫度膨脹引起；λ2由外力N引起；λ3為溫度對FBG本身的影響。
顯然λ1＝C0Tγε從上述用于微小應(yīng)變測試的長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器的開發(fā)可知，由外力N引起的FBG的應(yīng)變?yōu)?amp;epsiv;0N=δNL0+E0A0E1A1(L-L0)=-δTL0+E0A0E1A1(L-L0)]]>因此λ2=ϵ0Nγϵ=-δTγϵL0+E0A0E1A1(L-L0)=-(C1(L-L0)+C0L0)TγϵL0+E0A0E1A1(L-L0)]]>
令αE=E0A0E1A1,]]>αL=L0L,]]>αC=C0C1,]]>則λ2=-C1(1-αL)+C0αLαE(1-αL)+αLTγϵ]]>λ3＝TγT綜合以上各式可得λ=λ1+λ2+λ3=(C0γϵ-C1(1-αL)+C0αLαE(1-αL)+αLγϵ+γT)T]]>這里要消除溫度的影響，即溫度變化，F(xiàn)BG中心波長無漂移，則ηT=C0γϵ-C1(1-αL)+C0αLαE(1-αL)+αLγϵ+γT=0]]>ηT是一個(gè)僅與材料有關(guān)的系數(shù)，可見只要選擇合適的封裝材料，溫度對該長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器的影響可以消除?？紤]采用一種材料封裝，即A1＝A0，E1＝E0，C1＝C0，則αE＝1，αL＝1，則ηT＝γT≠0，顯然無法實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。所以采用兩種以上不同的封裝材料是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)谋匾獥l件?？紤]E0＜＜E1，即αE→0，由ηT＝0可得C1=γTγϵ·αL1-αL,]]>與C0無關(guān)。一般情況下有γT＝11pm/℃，γε＝1.2pm/μm，則C1≈10αL1-αL]]>(μm/℃)其中0＜αL＜1。若αL=12,]]>則C1≈10有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的分布式長標(biāo)矩FBG應(yīng)變傳感器的封裝結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)分布式長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器可以實(shí)現(xiàn)下列重要測量a)平均應(yīng)變測量。平均應(yīng)變可以避免因裂縫等因素引起的應(yīng)力/應(yīng)變集中，從而使測量的應(yīng)變值能直觀地反映構(gòu)件的曲率。b)分布式測量。可以盡可能的涵蓋結(jié)構(gòu)較大范圍，獲得一個(gè)由所有平均應(yīng)變分量構(gòu)成的向量，從而提供相對完整的結(jié)構(gòu)信息。c)動(dòng)態(tài)測量。高速FBG解調(diào)系統(tǒng)能高效地獲取分布式平均應(yīng)變的時(shí)程曲線，轉(zhuǎn)換至頻域后，可以獲得寬幅頻譜曲線，從而得到高階的自振頻率及模態(tài)平均應(yīng)變。這為基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康診斷提供了有利條件。
本發(fā)明用于對RC(鋼筋混凝土)或其它復(fù)合結(jié)構(gòu)等大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行局部破壞的分布監(jiān)測，如監(jiān)測裂縫的發(fā)生、位置及程度，監(jiān)測結(jié)構(gòu)材料的徐變，監(jiān)測鋼筋是否腐蝕，監(jiān)測混凝土強(qiáng)度是否退化。
本發(fā)明可以利用長標(biāo)距傳感器的高精度應(yīng)變測量結(jié)果取代撓度計(jì)等變形測試方法用于結(jié)構(gòu)物的整體性能評價(jià)。盡管撓度計(jì)是目前公認(rèn)的對結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行測量最為直接有效的傳感器，但是由于安裝時(shí)需要一個(gè)基準(zhǔn)位置限制了其實(shí)際的使用，例如橋梁跨中不可能有這樣的“基準(zhǔn)點(diǎn)”放置撓度計(jì)。
本發(fā)明用于測量環(huán)境振動(dòng)下橋梁及其他結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程，以此提取結(jié)構(gòu)物的特征模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提供依據(jù)。而且值得特別指出的是，在彎曲型結(jié)構(gòu)中，與加速度實(shí)際上是一種撓度自由度的測量類似，平均應(yīng)變實(shí)際上是轉(zhuǎn)角自由度之差的測量，從而間接地提供了一種轉(zhuǎn)角自由度的測量方式。也就是說，分布式的長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器可以提供與加速度計(jì)等價(jià)的動(dòng)態(tài)測量，前者強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)角自由度，后者強(qiáng)調(diào)撓度自由度。
本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)溫度變化復(fù)雜等環(huán)境條件下的高精度測量和結(jié)構(gòu)物的適時(shí)和長期監(jiān)測。


圖1是常見商品化光纖布拉格光柵(FBG)示意圖。
圖2是單模光纖光纜(SMC)示意圖。
圖3是單個(gè)長標(biāo)距FBG傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是用于微小應(yīng)變測試的長標(biāo)距FBG傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是長標(biāo)距FBG傳感器的溫度補(bǔ)償封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是分布式長標(biāo)距FBG傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是FBG的測試原理示意圖。
以上的圖中有光纖布拉格光柵1，除去涂覆層的單模光纖2，單模光纖3，保護(hù)層4，緩沖層5，套管6，固定點(diǎn)7，熔接點(diǎn)8，復(fù)合材料封裝層9，單模光纖光纜的封裝點(diǎn)10，第一重涂層11，第二重涂層12，芯層13，包層14，涂覆層15，F(xiàn)BG柵格周期16。
具體實(shí)施例方式
該應(yīng)變傳感器由多個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵1應(yīng)變傳感器串聯(lián)而成；其中單個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵1在光纖布拉格光柵1的兩端分別連接有除去涂覆層的單模光纖2，在光纖布拉格光柵1和除去涂覆層的單模光纖2的外部套有套管6，套管6的兩端分別通過光纖與套管的固定點(diǎn)7固定在除去涂覆層的單模光纖2上，除去涂覆層的單模光纖2的兩端分別通過熔接點(diǎn)8與外部的單模光纖光纜相連接，復(fù)合材料封裝層9包覆在以上結(jié)構(gòu)的外面。所述的光纖布拉格光柵1的表面涂有第一重涂層11，在光纖布拉格光柵1旁的除去涂覆層的單模光纖2的表面涂有第二重涂層12，套管6套在第一重涂層11和第二重涂層12的外面。第一重涂層11、第二重涂層12針對增敏的要求，采用兩種具有不同彈性模量的材料重涂裸光柵，例如用樹脂重涂FBG部分(L0)，用樹脂和纖維的復(fù)合材料重涂剩余部分；針對溫度補(bǔ)償?shù)囊螅捎脙煞N具有不同溫度膨脹系數(shù)的樹脂及纖維材料重涂裸光纖，例如樹脂采用環(huán)氧樹脂，纖維采用碳纖維或PBO(poly-p-phenylenebenzobisoxazole)等高分子復(fù)合材料；使傳感器的組合溫敏系數(shù)為零。
重涂材料要求防水防腐。
制作的簡易長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器目前實(shí)驗(yàn)室制作的簡易長標(biāo)距FBG應(yīng)變傳感器，具體實(shí)現(xiàn)過程如下1)剝落裸光柵附近一段長度(大于標(biāo)距L)光纖的被覆層，酒精清潔后，穿過直徑約1mm長度為標(biāo)距L的鋼套管，在穿過端與光纜熔接；2)用502膠在鋼管的一端固定光纖，在另一端預(yù)拉以滿足壓應(yīng)變測量的需要，然后固定光纖與鋼管的另一端；3)在CFRP線材兩端掛等質(zhì)量的砝碼確保線材被拉直，用502膠將套有光纖的鋼管固定在CFRP線材上，確保其不彎曲，然后再用相同的線材覆蓋在鋼管上；4)用環(huán)氧樹脂沿CFRP線材均勻涂抹，待樹脂固結(jié)硬化后，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一體。
光纖布拉格光柵1(FBG)，固有長度通常為1-2厘米除去涂覆層的單模光纖2，直徑0.25毫米單模光纖3(SMF)，直徑0.5毫米套管6，直徑約0.5毫米第一重涂層11(含F(xiàn)BG部分)，長度L0第二重涂層12(不含F(xiàn)BG部分)，有效長度為(L-L0)在RC梁中的應(yīng)用實(shí)例分布式長標(biāo)距FBG光纖傳感器在RC結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用可以概括為兩個(gè)層次。一是以裂縫監(jiān)測為代表的損傷診斷，二是結(jié)構(gòu)的整體性能評價(jià)。以下簡要概括FBG傳感器在RC梁應(yīng)用中的部分重要結(jié)論。
如上所述，傳統(tǒng)的“點(diǎn)”應(yīng)變片常因局部應(yīng)力集中和裂縫出現(xiàn)而失效，而且在大型土木結(jié)構(gòu)上分布布置也不實(shí)際。長標(biāo)距FBG傳感器可以彌補(bǔ)這兩方面的不足，一方面應(yīng)變平均化緩和了裂縫出現(xiàn)后導(dǎo)致的局部應(yīng)力突變，確保傳感器仍能有效工作；另一方面，串接長標(biāo)距FBG傳感器可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)的一定區(qū)域進(jìn)行分布測量，涵蓋相對完整的裂縫信息。試驗(yàn)表明一根跨度2m的普通RC梁，標(biāo)距0.2m的FBG傳感器可以有效地監(jiān)測裂縫的出現(xiàn)、位置及程度。
能用于對結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行評價(jià)是分布式長標(biāo)距FBG傳感器最為突出的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，一根跨度2m的普通RC梁，四點(diǎn)彎，標(biāo)距0.4m以上的FBG傳感器測量的平均應(yīng)變與RC梁的跨中撓度有很好的線性關(guān)系。這一重要現(xiàn)象說明，只要標(biāo)距和位置合適，長標(biāo)距FBG傳感器完全可以取代位移計(jì)，而眾所周知，位移計(jì)是對結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行測量最為直接有效的傳感器，但是由于安裝時(shí)需要一個(gè)基準(zhǔn)位置限制了其實(shí)際的使用，例如橋梁跨中不可能有這樣的“基準(zhǔn)點(diǎn)”放置位移計(jì)。此外，與理論計(jì)算的結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)測的0.2m長度內(nèi)的平均應(yīng)變和理論值比較吻合，兩個(gè)0.2m長度內(nèi)的實(shí)測平均應(yīng)變平均后得到的0.4m長度的應(yīng)變以及四個(gè)0.2m長度內(nèi)的實(shí)測平均應(yīng)變平均后得到的0.8長度的應(yīng)變與理論值更為一致，這為基于實(shí)測的平均應(yīng)變對RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行諸如荷載評估，剛度同定，鋼筋應(yīng)力估算等逆分析提供了重要依據(jù)。結(jié)合以上的裂縫監(jiān)測可見，一根跨度2m的普通RC梁，標(biāo)距0.2m的FBG傳感器經(jīng)分布布置后既可以有效地監(jiān)測裂縫又可以評估整個(gè)構(gòu)件性能。
振動(dòng)測試實(shí)例1)鋼梁一長1m，寬50mm，高3mm的懸臂鋼梁的振動(dòng)測試表明一標(biāo)距為10cm的
FBG傳感器和一相應(yīng)頻率50Hz的加速度計(jì)安裝在梁的自由端，捶擊振動(dòng)下可以測量鋼梁的應(yīng)變和加速度時(shí)程反應(yīng)，經(jīng)過快速富立葉變換，可以得到結(jié)構(gòu)的頻譜曲線，從而可以利用峰值簡單地找出銅梁的固有頻率?？梢园l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG傳感器和加速度計(jì)得到的結(jié)構(gòu)固有頻率非常吻合。
2)RC橋墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)一高2m，橫截面為45cm×80cm的RC橋墩的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明當(dāng)FBG傳感器用環(huán)氧樹脂粘貼在試件兩個(gè)側(cè)面的頂部，具有相同標(biāo)距的應(yīng)變片貼在其側(cè)面平行的位置用以比較時(shí)，兩者測量的地震應(yīng)變響應(yīng)基本重合，簡諧振動(dòng)下的時(shí)域和頻域曲線也有很好的一致。
權(quán)利要求
1.一種分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于該應(yīng)變傳感器由多個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵(1)應(yīng)變傳感器串聯(lián)而成；其中單個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵(1)在光纖布拉格光柵(1)的兩端分別連接有除去涂覆層的單模光纖(2)，在光纖布拉格光柵(1)和除去涂覆層的單模光纖(2)的外部套有套管(6)，套管(6)的兩端分別通過光纖與套管的固定點(diǎn)(7)固定在除去涂覆層的單模光纖(2)上，除去涂覆層的單模光纖(2)的兩端分別通過熔接點(diǎn)(8)與外部的單模光纖光纜相連接，復(fù)合材料封裝層(9)包覆在以上結(jié)構(gòu)的外面。
2.基于權(quán)利要求1所述的長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于所述的光纖布拉格光柵(1)的表面涂有第一重涂層(11)，在光纖布拉格光柵(1)旁的除去涂覆層的單模光纖(2)的表面涂有第二重涂層(12)，套管(6)套在第一重涂層(11)和第二重涂層(12)的外面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于第一重涂層(11)、第二重涂層(12)針對增敏的要求，采用兩種具有不同彈性模量的材料重涂裸光柵；針對溫度補(bǔ)償?shù)囊螅捎脙煞N具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料重涂裸光纖，使傳感器的組合溫敏系數(shù)為零。
4.一種如權(quán)利要求1所述的分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器的制造方法，步驟如下1)剝落裸光纖布拉格光柵(1)附近的一段長度大于標(biāo)距L的光纖被覆層，酒精清潔后，穿過一以各段標(biāo)距為間隔留有孔隙的套管(6)，兩端與光纜熔接；2)用膠將具有光纖布拉格光柵(1)的單模光纖(2)固定在套管(6)的一端，在另一端預(yù)拉以滿足壓應(yīng)變測量的需要，然后在各個(gè)孔隙的位置用膠依次固定光纖與套管，之后用膠將套管(6)固定在CFRP線材或片材上，確保套管不彎曲；3)將環(huán)氧樹脂沿CFRP線材或片材均勻涂抹，用膠將一系列套管固定在CFRP線材或片材上后待樹脂固結(jié)硬化。
全文摘要
分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器及其制造方法是一種用于結(jié)構(gòu)設(shè)施的健康檢測和監(jiān)測的分布式長標(biāo)距光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器及其制造方法，該應(yīng)變傳感器由多個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵(1)應(yīng)變傳感器串聯(lián)而成；其中單個(gè)長標(biāo)距光纖布拉格光柵(1)在光纖布拉格光柵(1)的兩端分別連接有除去涂覆層的單模光纖(2)，在光纖布拉格光柵(1)和除去涂覆層的單模光纖(2)的外部套有套管(6)，套管(6)的兩端分別通過光纖與套管的固定點(diǎn)(7)固定在除去涂覆層的單模光纖(2)上，除去涂覆層的單模光纖(2)的兩端分別通過熔接點(diǎn)(8)與外部的單模光纖光纜相連接，復(fù)合材料封裝層(9)包覆在以上結(jié)構(gòu)的外面。
文檔編號(hào)G02B6/24GK1949009SQ200610097290
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者吳智深, 李素貞 申請人:東南大學(xué)