一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线的制作方法

本发明涉及钢绞线技术领域，具体涉及一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线。

背景技术：

钢绞线是由多根钢丝捻制而成的单股钢丝绳，因其强度高、柔性好等特性，广泛用于混凝土预应力筋、桥梁拉索、岩土锚索等建筑工程结构之中，是主要的受力构件。钢绞线容易受到周围环境的影响，发生腐蚀生锈，预应力损失，进而影响其工作性能，对建筑物的正常使用和安全运营产生负面影响。所以，对钢绞线的工作状态进行长期实时的监测，掌握钢绞线的应力状态，保障钢绞线的使用安全，是预应力技术的发展重点。

近年来，一种可以监测预应力钢绞线应力状态的智能钢绞线技术受到研究人员们的广泛重视和研究，并开始逐步应用于实际工程之中。该技术的原理是用以纤维增强光纤光栅复合筋(FRP-OFBG)为代表的新型复合材料替换普通钢绞线的中丝，运用光学仪器对光纤信号进行解调，以达到检测钢绞线受力状态的目的。但FRP筋的力学性能和钢筋差异较大，没有明显屈服特征，弹性模量一般小于钢材，如果技术处理不到位，智能钢绞线还容易发生脱丝现象。

公开号为CN101210983A的中国专利公开了光纤光栅智能钢绞线及其制作方法，该发明中的中心丝是含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋；该智能筋包括纤维增强筋及在纤维增强筋中沿长度方向分布的光纤及光纤光栅传感器，在非光栅段的光纤外套有塑料松套管，该塑料松套管隔离光纤与纤维增强筋相连结，光纤光栅传感器传输光纤从钢绞线端部引出；其制作方法是首先制作光纤光栅纤维增强复合智能筋，再将与智能筋等长度的钢绞线机械打散，并用光纤光栅纤维增强复合智能筋替换钢绞线的中心丝，重新扭绞粘胶成型。但该发明的中心丝未采用套管套住，在生产制作过程中还需要通过模子的挤压，加温固化，完成整个过程需要一成套装置，制作过程复杂、成本高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线，该所述智能钢绞线内的中心丝制作过程中只需利用第一金属管即可成型，制作过程简单。第一金属管不仅能保护内部裸光纤，使其能很好的传输光信号，同时还能很好的与钢绞线边丝协调受力变形，不易发生脱丝现象，且本身具有很好的力学性能。由该中心丝构成的智能钢绞线，能很好解决受力性能欠缺和脱丝的问题，满足钢绞线的长久使用和应力监测两大功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝，所述中心丝包括光纤，所述光纤上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器的光栅段，所述光纤外套设有第一金属管，所述非光栅段外套有塑料松套管，所述塑料松套管的直径小于所述第一金属管的直径，所述光纤与所述第一金属管之间还设有填充物，所述光纤、填充物、所述塑料松套管和所述第一金属管通过粘结剂粘结形成整体。

进一步地，还包括温度补偿光纤光栅传感器，所述温度补偿光纤光栅传感器设于所述光栅段并与所述光纤光栅传感器串连，所述温度补偿光纤光栅传感器外套有第二金属管，所述第二金属管的直径小于所述第一金属管的直径，所述温度补偿光纤光栅传感器的一端在所述第二金属管内悬空。

进一步地，所述第一金属管为不锈钢管或铜管。

进一步地，所述填充物为混杂纤维或混杂纤维/粒子混合物。

进一步地，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，所述混杂纤维/粒子混合物为碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维与玻璃微珠的混合物或碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物。

进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物的制备过程为先将混杂纤维进行表面改性，改性后的混杂纤维与粒子混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

进一步地，所述混杂纤维/粒子混合物中混杂纤维与粒子的质量比为6-10:1。

进一步地，所述粘结剂为环氧树脂。

本发明还提供了一种利用上述的智能钢绞线中心丝制作形成的智能钢绞线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1、该光纤智能钢绞线将光纤光栅传感器与高强钢绞线钢丝相结合，能有效的保护光纤和光纤传感器，较好地解决了将光纤传感器布设于普通钢绞线中的防护问题和布设工艺问题。

2、将光纤光栅传感器和套有塑料松套管的光纤与填充物上粘结剂，采用拖拉法将所述光纤与填充物一起埋入第一金属管内，以制备得第一金属管中心丝。在光纤外套的第一金属管套力学性能良好，和一般的FRP筋相比，生产简单，造价低廉，屈服性较好，有更好的抗剪性能，且弹性模量与钢绞线边丝差异不大，可在使用中更好的协调受力变形，从而提高光纤传感器的测量精度，且不易发生脱丝现象，增加智能钢绞线的使用寿命；由于采用了第一金属管将第一金属管中心丝成型，因此，本发明采用该第一金属管中心丝扭绞成钢绞线时，直接将该第一金属管中心丝与边丝扭绞成钢绞线即可，无需再另设模子固定第一金属管中心丝，省略了后续加温固化的步骤，制作过程简单、成本低。

3、光纤光栅传感器中串有温度补偿光纤光栅传感器，使本发明在测量应变的同时还可测量温度，以排除环境温度变化对测量结果的影响；

4、光纤与混杂纤维丝/粒子混合物同时拉入第一金属管内，拉挤入管内时粘结环氧树脂，和第一金属管固化后形成整体。采用纤维与粒子结合形成的混杂纤维丝/粒子混合物，能保证光纤与第一金属管具有良好的整体性，不会产生空隙和脱落现象，使光纤与整个智能钢绞线能协调变形，有利于提高测量精度，且增强了中心丝的压缩强度、弹性模量以及稳定性。同时，混杂纤维/粒子混合物和粘结的环氧树脂能很好的保护内部光纤不被外界环境腐蚀，保障光纤的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线的结构示意图；

图2为本发明实施例1一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线内中心丝的结构示意图；

图3为本发明实施例2一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线内中心丝的结构示意图。

图中，1-光纤，2-光纤光栅传感器，2-1-温度补偿光纤光栅传感器，3-塑料松套管，4-填充物，5-第一金属管，6-边丝，7-第二金属管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细的说明，但并不是对本发明的限定。

实施例1：

如图1和图2，一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝6，所述中心丝包括光纤1，所述光纤1上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器2的光栅段，所述非光栅段外套有塑料松套管3，所述光纤1外套设有第一金属管5，在本实施例中，第一金属管5为不锈钢管，所述塑料松套管3的直径小于所述第一金属管5的直径，所述光纤1与所述第一金属管5之间还还填充有填充物4，在本实施例中，填充物4为混杂纤维/粒子混合物，光纤1、塑料松套管3、填充物4和第一金属管5通过粘结剂粘结形成整体，以形成能够同步变形的智能钢绞线的金属管中心丝。其中，所述的边丝6为普通的高强钢丝。

本发明实施例中，所述填充物4选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与玻璃微珠混合物，其制备过程为先将碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与玻璃微珠按质量比为10:1混合后通过超声震荡分散均匀，使粒子充分分散、嵌入至混合纤维中，最后热烘干即得。

本发明实施例含光纤光栅传感器的智能钢绞线及其制作方法，包括如下步骤：

(1)根据钢绞线的制作长度，确定光纤光栅传感器2在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤1中，计算所用光纤1的最小长度；

(2)根据钢绞线型号，计算所用第一金属管5的长度及直径；

(3)将多个塑料松套管3在光纤1的无光栅段；

(4)采用拖拉法将光纤1、塑料松套管3和填充物4一起牵拉，埋入第一金属管5内，使光纤1、塑料松套管3、填充物4和第一金属管5之间充分粘接形成整体，得到智能钢绞线的金属管中心丝；

(5)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝6重新扭绞成钢绞线，即可制成含光纤光栅传感器的智能钢绞线。

在钢绞线加锚具成套处理时，将信号传输光纤从钢绞线中引出，并与光纤跳线连接。

本发明实施例中的塑料松套管3为15个，当然塑料松套管3的个数也可以在1-60个的范围或更大范围内选用，根据中心丝的长度而定。

实施例2：

如图1和图3，一种含光纤光栅传感器的智能钢绞线，包括中心丝及围绕所述中心丝缠绕的边丝6，所述中心丝包括光纤1，所述光纤1上包括非光栅段和含有光纤光栅传感器2的光栅段，所述非光栅段外套有塑料松套管3，所述光纤1外套设有第一金属管5，在本实施例中，第一金属管5为铜管，所述塑料松套管3的直径小于所述第一金属管5的直径，所述光纤1与所述第一金属管5之间还还填充有填充物4，在本实施例中，填充物4为混杂纤维/粒子混合物，光纤1、填充物4、塑料松套管3和第一金属管5通过粘结剂粘结形成整体，以形成能够同步变形的智能钢绞线的不锈钢管中心丝。其中，所述的边丝6为普通的高强钢丝。

本发明实施例中，所述光纤光栅传感器还串连有温度补偿光纤光栅传感器2-1，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1外套有第二金属管6，且所述第二金属管6位于所述第一金属管5内，所述温度补偿光纤光栅传感器2-1的一端在所述第二金属管6内悬空，使其可自由变形，可用于感受温度信息，测量温度，作温度补偿。

本发明实施例中，所述填充物4选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维与二氧化硅颗粒的混合物，其制备过程为先将碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维采用硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，改性后的混杂纤维与二氧化硅颗粒按质量比为6:1混合后通过超声震荡分散均匀，最后热烘干即得。

本发明实施例含光纤光栅传感器的智能钢绞线及其制作方法，包括如下步骤：

(1)根据钢绞线的制作长度，确定光纤光栅传感器2、温度补偿光纤光栅传感器2-1在钢绞线长度方向上的位置并串接在光纤1中，计算所用光纤1的最小长度；

(2)根据钢绞线型号，计算所用第一金属管5的长度及直径；

(3)将多个塑料松套管3套在光纤1的无光栅段，将第二金属管7套在温度补偿光纤光栅传感器2-1上，同时使温度补偿光纤光栅传感器2-1的一端在所述第二金属管7内悬空；

(4)采用拖拉法将所述光纤1、塑料松套管3、第二金属管7与填充物4一起埋入第一金属管5内，埋入时利用粘结剂环氧树脂使光纤1、塑料松套管3、第二金属管7、填充物4和第一金属管5之间充分粘接形成整体，得到智能钢绞线的金属管中心丝；

(5)将与上述金属管中心丝等长度的钢绞线用机械打散，并用所得金属管中心丝替换钢绞线的原中心丝，与边丝6重新扭绞成钢绞线，即可制成含光纤光栅传感器的智能钢绞线。在钢绞线加锚具成套处理时，将信号传输光纤从钢绞线中引出，并与光纤跳线连接。

本发明实施例中的塑料松套管3为30个，当然塑料松套管3的个数也可以在1-60个的范围或更大范围内选用，根据中心丝的长度而定。

实施例3：

本发明实施例中除将混杂纤维与二氧化硅颗粒的质量比改为8:1外，其他均与实施例2相同。

实施例4：

本发明实施例中除将实施例2中的混杂纤维/粒子混合物改为混杂纤维外，其他均与实施例2相同。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。