一种光纤光栅屈曲监测传感器及其制备方法与流程

本发明属于结构安全监测领域，具体涉及一种光纤光栅屈曲监测传感器及其制备方法。

背景技术：

光纤光栅属于无源器件，具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀性强及应变或温度感知灵敏度高等特点，目前被广泛应用于土木工程、海洋工程、航天航空以及能源化工等领域的结构监测中。裸光纤光栅属于细径结构，易弯曲导致其抗压性能差且抗剪切性能差，不适合直接作为传感器用于工程结构的变形监测。目前，有诸多用于光纤光栅的封装技术的报道。常见的光纤光栅应变传感器是将光纤光栅粘贴在金属梁上并外加不锈钢套管保护，为了提高其负压能力，光纤光栅粘贴时施加一定的预拉应力，应变量程为-1500～+1500με。已报道的一种防屈曲光纤光栅应变传感器(专利申请号cn107101592a)采用frp封装光纤光栅，设计的防屈曲约束组件和锚固组件能够有效控制传感器的间隙，达到传感器防弯曲效果，能够保证传感器受压时的整体稳定性，应变量程可达到-3000～+3000με。

诸如轴向受压的细长直杆等构件在压力过大时，可能会突然变弯，失去原来直线形式的平衡状态，而丧失继续承载的能力，导致失稳。目前已报道的具备受压性能的光纤光栅传感器只是侧重于自身抗压的能力，用于轴向受压细长直杆压力监测时，通过传感器压应变监测数据评估细长直杆的承载能力。但存在以下缺点：细长直杆的承载能力与其自身力学性能密切相关，细长直杆自身损伤时会导致承载能力下降，此时，因直杆损伤导致其失稳临界压应变变小，如果依然按照其设计的承载能力和监测的压应变信息来评估细长直杆构件的稳定性，会存在评定失效的风险。

因此，亟需一种能够直接识别细长直杆等轴向受压构件失稳的传感器，对于开展结构局部损伤评定具有重要的实际意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可识别细长直杆等轴向受压构件失稳方向的光纤光栅屈曲监测传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种光纤光栅屈曲监测传感器及其制备方法，包括：两根光纤光栅敏感元件1、纤维树脂2、不锈钢锚头3和传输跳线4，其特征在于两根光纤光栅敏感元件1在纤维树脂2拉挤成型过程中平行植入封装形成纤维树脂智能筋，纤维树脂智能筋两端夹持不锈钢锚头3，光纤光栅敏感元件1通过传输跳线4引出不锈钢锚头3。

所述的纤维树脂2中的纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维，拉挤成型后的纤维智能筋的直径为5mm、长度为100mm。

所述的两根光纤光栅敏感元件1中，主应变光纤光栅敏感元件1-1布设于纤维树脂智能筋的中心位置；方向应变光纤光栅敏感元件1-2布设于纤维树脂智能筋的边缘，主应变光纤光栅敏感元件1-1和方向应变光纤光栅敏感元件1-2平行且相距1.5mm。

所述的不锈钢锚头3包括两个半圆柱形锚头3-1，螺栓3-2，其中半圆柱形锚头3-1包含5mm长的实心段3-1-1和15mm长的空心段3-1-2。两个半圆柱形锚头3-1通过螺栓3-2紧固组成的不锈钢锚头3。组装后的不锈钢锚头3内直径5mm、外直径6mm、长20mm。实心段3-1-1上钻两个直径为1.2mm的孔，两个孔圆心距1.5mm，其中一个孔位于组装后的不锈钢锚头3的中心位置。

所述的传输跳线4直径1.1mm，光纤光栅敏感元件1穿过传输跳线4并从不锈钢锚头3上两个圆孔引出。

本发明的效果和益处是相较于现有的光纤光栅应变传感器，发明的光纤光栅屈曲传感器安装固定在细长直杆等轴向受压构件，可以通过布设于纤维复合智能筋中心位置的主应变光纤光栅敏感元件1-1监测轴向受压构件的压应力以及通过纤维复合智能筋边缘位置的方向应变光纤光栅敏感元件1-2监测受压构件失稳或屈曲。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅屈曲监测传感器结构示意图；

图2为本发明中纤维树脂智能筋横截面结构示意图；

图3为不锈钢锚头和半圆柱形锚头的结构示意图。

图4为光纤光栅屈曲监测传感器布设在细长直杆上的示意图。

图1中：1光纤光栅敏感元件；2纤维树脂；3不锈钢锚头；4传输跳线。

图2中：1-1主应变光纤光栅敏感元件；1-2方向应变光纤光栅敏感元件。

图3中：3-1半圆柱形锚头；3-2螺栓；3-1-1实心段；3-1-2空心段

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1为本发明的光纤光栅屈曲监测传感器结构示意图。具体实施方式是纤维树脂2在拉挤成型过程中，光纤光栅敏感单元1一同植入形成纤维材料智能筋。纤维树脂智能筋两端夹持不锈钢锚头3，光纤光栅敏感元件1通过传输跳线4引出不锈钢锚头。其中纤维树脂2中纤维可以为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维，纤维树脂智能筋的直径为5mm，长度为100mm。

附图2为本发明中纤维树脂智能筋横截面结构示意图。光纤光栅敏感单元1包括主应变光纤光栅敏感元件1-1和方向应变光纤光栅敏感元件1-2，主应变光纤光栅敏感元件1-1布设在纤维树脂智能筋的中心位置监测轴向受压构件的压应力；方向应变光纤光栅敏感元件1-2布设在纤维树脂智能筋的边缘位置，监测受压构件失稳或屈曲。主应变光纤光栅敏感元件1-1和方向应变光纤光栅敏感元件1-2的距离为1.5mm。

附图3为不锈钢锚头结构示意图。具体实施方式：不锈钢锚头3为两个半圆柱形锚头3-1通过螺栓3-2紧固组成的压力型锚头，组装后的不锈钢锚头3外直径6mm、内直径5mm、长20mm。半圆柱形锚头3-1包括实心段3-1-1和空心段3-1-2，实心段3-1-1长5mm，空心段3-1-2长15mm。实心段3-1-1上钻两个直径为1.2mm的孔，两个孔圆心距1.5mm，其中一个孔位于组装后的不锈钢锚头的中心位置。两个圆孔的作用是将纤维树脂智能筋上主应变光纤光栅敏感元件1-1和方向应变光纤光栅敏感单元1-2引出不锈钢锚头3。实心段3-1-1的作用是确保传感器受压过程中纤维树脂智能筋受到实心段3-1-1约束而与不锈钢锚头3不产生滑移；空心段3-1-2的作用是夹持纤维树脂智能筋。不锈钢锚头3上的四个螺栓3-2是为了紧固锚头并对纤维树脂智能筋施加一定的正压力。

图4为光纤光栅屈曲监测传感器布设在细长直杆上的示意图。具体实施方式是：光纤光栅屈曲监测传感器通过锚固件布设在轴向受压细长直杆的中部位置，锚固件的形式根据监测对象确定。光纤光栅屈曲监测传感器中的主应变光纤光栅敏感单元1-1和方向应变光纤光栅敏感单元1-2监测的压应变大小相等，说明轴向受压细长直杆没有失稳或屈曲。主应变光纤光栅敏感单元1-1监测的压应变和方向应变光纤光栅敏感单元1-2监测的压应变不相等，说明轴向受压细长直杆失稳，此时细长直杆发生弯曲变形，光纤光栅屈曲监测传感器产生压弯。如果主应变光纤光栅敏感单元1-1监测的压应变大于方向应变光纤光栅敏感单元1-2监测的压应变，说明光纤光栅屈曲监测传感器向方向应变光纤光栅敏感单元1-2一侧内弯；反之，说明光纤光栅屈曲监测传感器向方向应变光纤光栅敏感单元1-2一侧外弯。根据光纤光栅屈曲监测传感器弯曲方向评定，可以监测识别细长直杆的弯曲方向。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。