本發(fā)明涉及建筑復(fù)合材料、傳感器、工程檢測(cè)和固體力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一

種高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒及其制作方法。

背景技術(shù)：

光纖內(nèi)部的布里淵散射光對(duì)應(yīng)力和溫度敏感。根據(jù)這個(gè)原理，已經(jīng)有較成熟的分布式光纖傳感技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)測(cè)量而不是傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)量，因此其應(yīng)用與推廣，將導(dǎo)致工程檢測(cè)領(lǐng)域以及傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的革命性的技術(shù)突破。日本、加拿大、德國(guó)以及中國(guó)都相繼研制出布里淵散射光纖解析儀，俗稱光納儀。所用的光纖非常纖弱，不能適應(yīng)粗放的工程施工環(huán)境，因此需要加以保護(hù)。

一般的通訊光纜雖然有厚重的外圍保護(hù)層，但是把應(yīng)力的傳遞和熱傳遞都隔絕了，不適合做傳感器使用。而裸光纖和緊包光纖都很脆弱，在內(nèi)置于混凝土構(gòu)件的情形中，澆筑、振搗操作會(huì)使光纖斷裂；而深埋于邊坡探槽情形中，敷設(shè)回填過(guò)程會(huì)破壞光纖；在附著式安裝的情形中，也會(huì)因?yàn)椴僮鞑簧麟S時(shí)會(huì)斷裂失效。因此，需要在工程內(nèi)預(yù)先將光纖固定于合適的工程材料中，做成復(fù)合材料線材，以便施工。這種線材需要具有一定的剛度、又要有一定的柔性，同時(shí)具備較高的強(qiáng)度。另外，這種復(fù)合材料線材，還應(yīng)具有較好的再加工特性，以便分段運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接和形成美觀的端頭。

針對(duì)這種需求，我們已經(jīng)研制出玻璃纖維光纖智能筋，其制作方法是將光纖植入玻璃纖維FRP材料中。（其中FRP是fiber reinforced polymer的縮寫，即纖維增強(qiáng)高分子材料，成品是一種復(fù)合材料。）

FRP形成直徑6mm左右的連續(xù)筋材，可以用做姊妹筋（將玻璃纖維光纖智能筋與建筑鋼筋并列），也可以充當(dāng)替代筋（將其取代建筑鋼筋）。這種FRP產(chǎn)品存在以下不足之處：

1、雖然拉伸強(qiáng)度高，但是屬脆性材料，因此彎轉(zhuǎn)性能不好，通常在運(yùn)輸時(shí)，最小彎曲半徑1.5米，而在工程敷設(shè)中，最小彎曲半徑限制在1.75米，不能適應(yīng)較小的或彎曲度大的工程構(gòu)件；

2、屬于熱固型材料，因此不便做二次加工；

3、拉擠型工藝的材料加有整體性的脫模劑硬脂酸鋅，因此不便膠結(jié)連接，也不便端部膠結(jié)固定，而拉纏工藝會(huì)導(dǎo)致光纖微微彎曲松弛，引起過(guò)大的光衰減，影響傳感器的敏感性。

因此，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)了一種高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒及其制作方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒及其制作方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

1、采用微預(yù)應(yīng)力技術(shù)

首先，光纖太纖弱，不能適應(yīng)粗放的工程施工，因此將光纖固化在6mm左右聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料等熱塑型材料中，形成帶有光纖的智能筋材；

其次，因?yàn)楣饫w不能感應(yīng)收縮應(yīng)變，即不能感受壓應(yīng)力，為此在固化時(shí)，用一個(gè)較小的力牽引光纖，使之處在一種彈性拉伸狀態(tài)，在周邊的熱塑材料固化后，光纖仍然有3000μ左右的拉伸變形；測(cè)量時(shí)將3000μ作為零點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，如果發(fā)生壓縮變形，則光纖的讀數(shù)下降到3000μ以下，光纖仍然處于拉伸狀態(tài)；這種微預(yù)應(yīng)力在熱塑材料固化時(shí)，就賦予光纖，并一直使光纖處在微預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，在幾何形態(tài)上保持微拉伸狀態(tài)。

2、采用熱塑型材料

以往的技術(shù)采用GFRP材料加以固化，一旦固化，不能再次成型。本發(fā)明采用聚乙烯材料、或者聚四氟乙烯等熱塑型材料；加工過(guò)程是把母粒加熱軟化，并拉擠成型，在成型的同時(shí)，將施加了微預(yù)應(yīng)力的光纖，也就是繃緊的光纖，安置在棒狀材料的中間，并連續(xù)拉擠形成線材。用冷水冷卻后即固化。

這樣熱塑固化形成的筋材，可以二次成型，形成美觀的接頭，將光纖熔接部分再次包在筋材內(nèi)部光纖熔接點(diǎn)是刮除保護(hù)膜的裸光纖，用熱塑套40保護(hù)。筋材連接部位光滑、等直徑（也可采用較粗直徑），整體形態(tài)規(guī)則、美觀。

二次成型的熱塑材料還可以形成美觀雅致的端頭，其原理與重塑連接點(diǎn)類似。

具體地說(shuō)：

一、高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒（簡(jiǎn)稱光纖棒）

本智能棒包括傳感光纖和熱塑型棒體；

在傳感光纖外包羅有熱塑型棒體。

所述的傳感光纖是一種施加有微預(yù)應(yīng)力的通信光纖。

所述的熱塑型棒體是一種高分子材料包裹件。

二、高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒的制作方法

①在牽引裝置上，將繞在繞線架上的通信光纖引出經(jīng)過(guò)壓緊輪固定在牽引輪上，壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制壓緊輪的松緊，調(diào)節(jié)施加給通信光纖的微應(yīng)力的大小，得到智能光纖；

②在熱塑成型流水線上，智能光纖和熱塑材料母粒從主進(jìn)料口進(jìn)入，其它材料從輔進(jìn)料口進(jìn)入；

③在工作腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱、成形和冷卻等工序，智能光纖被流動(dòng)中的全部熱塑材料包裹；

④在出料口得到一種由智能光纖和熱塑型棒體組成的高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒；

⑤經(jīng)過(guò)計(jì)量長(zhǎng)度，卷繞成卷；

⑥經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)以后，得到合格成品。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1）施加了微預(yù)應(yīng)力，光纖不會(huì)彎曲、皺褶，保證不會(huì)發(fā)生較大的光損，也就是說(shuō)，避免了光阻塞，保持光路暢通；

2）通過(guò)移動(dòng)工作狀態(tài)，把3000μ作為傳感元件的工作零點(diǎn)，使壓縮變形表現(xiàn)為負(fù)的拉伸，解決了光纖不能感應(yīng)壓應(yīng)力應(yīng)變的問(wèn)題；

3）由于采用熱塑型材料，在使用過(guò)程中，可以通過(guò)加溫再次融化基體找出光纖線頭；可以通過(guò)再次融化形成美觀的端頭；可以再融化連接中間接頭，使微預(yù)應(yīng)力熱塑型光纖智能筋在接頭處恢復(fù)流暢的形態(tài)，并恢復(fù)力學(xué)承載能力。

4）熱塑型材料可以多次反復(fù)加熱融化，多次再成型，因此使用方便，結(jié)構(gòu)美觀、牢固、可靠。

5）熱塑型材料成形溫度適宜，大約在150到170攝氏度之間，對(duì)光纖安全無(wú)損害。

6）熱塑型光纖智能筋強(qiáng)度高，化解了光纖的脆弱和工程施工的粗放性之間的矛盾。

本產(chǎn)品的其他優(yōu)勢(shì)：

①質(zhì)量輕，密度為1900kg/m3，具有較高的剛度和韌性，還具有不銹蝕、無(wú)磁性、電絕緣、沒(méi)有渦流損失和無(wú)渦流干擾等功能；

②屬于無(wú)源傳感器，無(wú)需電源，不存在電極腐蝕等問(wèn)題。

③壽命長(zhǎng)，基體材料熱塑塑料在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與光纖、空氣隔絕，因此壽命長(zhǎng)；功能材料光纖本質(zhì)是玻璃，與結(jié)構(gòu)等壽命。

附圖說(shuō)明

圖1是智能光纖棒的結(jié)構(gòu)示意圖（主視）；

圖2是智能光纖棒的結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視）

圖3是牽引裝置的示意圖；

圖4是熱塑成型流水線的示意圖。

00—通信光纖；

10—傳感光纖；

20—熱塑型棒體；

30—牽引裝置，

31—牽引輪，32—壓緊輪，33—壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，34—繞線架；

40—熱塑成型流水線，

41—工作腔，42—主進(jìn)料口，43—輔進(jìn)料口，44—出口。

50—熱塑材料母粒

60—其它材料。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明：

一、智能光纖棒

如圖1、2，本智能光纖棒包括傳感光纖10和熱塑型棒體20；

在傳感光纖10外包羅有熱塑型棒體20。

所述的傳感光纖10是一種施加有微預(yù)應(yīng)力的通信光纖。

所述的熱塑型棒體20是一種高分子材料包裹件。

二、智能光纖棒的制作設(shè)備

1、牽引設(shè)備30

如圖2，牽引裝置30包括牽引輪31、壓緊輪32、壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)33和繞線架34。

2、熱塑成型流水線40

如圖3，熱塑成型流水線40包括工作腔41、主進(jìn)料口42、輔進(jìn)料口43和出料口44，在工作腔41內(nèi)設(shè)置有加熱、成形模具和冷卻等系統(tǒng)。

三、智能光纖棒的制作方法

①在牽引設(shè)備30上，將繞在繞線架34上的通信光纖00引出經(jīng)過(guò)壓緊輪32固定在牽引輪31上，壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)33控制壓緊輪32的松緊，調(diào)節(jié)施加給通信光纖00的微應(yīng)力的大小，得到智能光纖10；

②在熱塑成型流水線40上，智能光纖10和熱塑材料母粒50從主進(jìn)料口42進(jìn)入，其它材料60從輔進(jìn)料口43進(jìn)入；

③在工作腔41內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱、成形和冷卻等工序，智能光纖10被流動(dòng)中的全部熱塑材料包裹；

④在出料口44得到一種由智能光纖10和熱塑型棒體20組成的高性能微預(yù)應(yīng)力熱塑型智能光纖棒；

⑤經(jīng)過(guò)計(jì)量長(zhǎng)度，卷繞成卷；

⑥經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)以后，得到合格成品。

四、智能光纖棒的應(yīng)用

①將智能光纖棒布置在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可以與鋼筋并列成為姊妹筋，也可以取代鋼筋成為替代筋；

②將智能光纖棒連接到光纖解析儀即光納儀，由光納儀發(fā)出探測(cè)光和激勵(lì)光，并由光納儀讀取光纖中的散射光并加以分析，得到光纖沿線的溫度、應(yīng)力信息，并自動(dòng)記錄，記錄的數(shù)據(jù)可以用U盤或網(wǎng)線引出到電腦。