一种胶砂式光纤混凝土应力传感器及其制作方法与流程

本发明属于传感技术领域，特别是涉及一种胶砂式光纤混凝土应力传感器及其制作方法。

背景技术：

混凝土是一种应用广泛的工程复合材料，由于其施工方便、价格低廉，一直是最基本的建筑材料和国防及人防工程中的主要防护材料。混凝土和混凝土类材料在冲击荷载作用下的性能，对于研究在地震、突发冲击或爆炸等极端条件下的安全要求是不可或缺的，研究混凝土冲击或抗爆性能就需要了解结构构件在荷载作用下内部应力的分布情况。目前，随着硬目标侵彻武器的发展，钻地武器的侵彻机理研究以及侵彻爆炸效应研究也需要测量混凝土靶板或结构内的冲击应力，以便为侵彻武器的研究与性能改进以及防护材料和防护结构的研究提供必要的数据。此外混凝土或岩石等材料内爆炸冲击应力波测试，对爆破破岩机理的研究都是十分有意义的。

由于混凝土材料内的力学参数测试总是在恶劣的环境条件下进行的，首先是混凝土在浇注的过程中的高水高碱环境，常用的电子类传感器埋入后的性能容易下降，稳定性与耐久性差，成活率较低；其次是动态试验总是会伴随着强冲击和破坏性，这对传感器本身的要求很高；再者，在武器爆炸、战场毁伤评估等试验中火药爆炸产生的强电磁干扰对传感器的影响很大，甚至会影响测量结果的正确性；而且在这些试验中，信号需要传输的距离通常较远，对于传感器输出的弱信号会引起严重衰减和再次引入干扰，造成测量精度下降。此外，测量混凝土结构内的应力应变时，埋入的传感器置换了结构中的一部分混凝土，当进行动态测量时，为消除传感器埋置带来的误差，理论上要求传感器应该与周围介质材料具有相同的密度和波速，但实际上传感器不可能与被测介质完全相同。为了减小测量误差，在选择传感器封装材料时，应尽量考虑封装材料的性质与被测介质接近。

近年来，研究人员提出裸光纤光栅可直接作为应变传感器，但要在防护工程恶劣环境中应用，特别是要实现混凝土结构内部应变等物理量的传感，必须将光纤光栅埋入混凝土结构内部。埋入主要的问题是在埋设光栅的过程中如何保护光栅，保证光栅的成活率，同时光纤在混凝土构件的位置必须要满足参数测试的要求。由于光纤的直径非常小，且光纤bragg光栅制造于去掉涂覆层的单模石英光纤上，因此它特别脆弱，尤其抗剪能力差，容易折断，很难适应混凝土在浇筑过程中机械的振动和混凝土的翻动等施工现场的恶劣环境。为了克服以上的困难，人们提出了多种方法，在实际使用中主要是采用封装方式，即将光栅封装于某种结构的材料中，再将封装后形成的传感器埋入混凝土结构中使用。目前在土木工程应用中常采用的封装方式是金属管式封装、钢柱式封装和钢片式封装，这些封装结构的材料均为金属钢材，因钢材与混凝土材料在密度、弹性模量、泊松比、刚度等力学性质方面相差较大，对于介质中动态应变、特别是高速动态应变测量来说，其测量误差较大。因此必须选择合适的封装材料和结构来实现混凝土结构内的动态应力应变的测试。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种胶砂式光纤混凝土应力传感器及其制作方法，具有相容性好、匹配误差小、测试精度高、环境适应性强等优点。

为实现上述发明的目的，本发明采取以下技术方案：

一种胶砂式光纤混凝土应力传感器，包括铠装光缆、壳体和裸光纤，裸光纤设置在壳体的内部中轴线上且平行于壳体轴向，铠装光缆设置在壳体的进口端，铠装光缆的一端与裸光纤连接；所述的壳体材料为环氧树脂与砂的混合物，在壳体的端部中心处设置有轴向的安装孔；所述的裸光纤中部纤芯上还设置有光纤光栅，裸光纤通过安装孔设置在壳体内。

所述的壳体制作材料砂和环氧树脂按重量进行配比，两者的比例范围为5：1~8：1。

所述的光纤光栅为在裸光纤上制作的光纤布拉格光栅（fbg）。

所述的壳体的末端端面为感压面。

所述的砂为标准砂或金刚砂。

本发明还公开一种胶砂式光纤混凝土应力传感器的制作方法，其制作工艺步骤如下：

步骤1：准备模具

根据拟制作的传感器尺寸，选取一截圆筒形模具（如pvc管），并将其上下平面切割平整且垂直于轴向，圆筒的长度与传感器长度相同，内径与传感器外径相同。

步骤2：确定选材及配比

根据待测岩土介质密度、弹性模量，选取环氧树脂和砂的种类，两者按重量进行配比，使得制作好的应力传感器与现场岩土介质的物理参数相匹配。

步骤3：制作传感器壳体

分别准备两块直径与圆筒形模具相同的圆形挡板，并在底部挡板的中心位置钻一小孔，将底部挡板粘接在圆筒形模具底部并固定牢靠，将按照步骤（2）调配好的壳体材料装入模具内，捣实并将顶部平整好,再将顶部挡板的中心位置钻孔，钻孔直径与铠装光缆相同。

步骤4：穿入光纤并固定

准备一竖直细铁丝，细铁丝直径刚好能穿过模具底部挡板上的小孔，长度大于模具高度至少2cm，将细铁丝从底部挡板中心小孔处穿入步骤（3）制作的传感器壳体并从顶部露出约1cm长度，准备好一头带铠装光缆另一头为裸光纤的光纤，裸光纤的中部设置有光纤光栅，将裸光纤穿入步骤（3）准备的顶部挡板直到顶部挡板到达铠装光缆部分，将裸光纤头部用快干胶粘贴在细铁丝露出模具顶部的那一端，拉着模具底部露出的细铁丝带动裸光纤穿入模具内部并从模具底部挡板上的小孔穿过，直到铠装光缆头部钻入模具内部约5mm为止，再将顶部挡板穿过铠装光缆放置在圆筒形模具顶部并与模具和铠装光缆固定牢靠，把模具垂直放置，将模具顶外的铠装光缆固定在操作架的横杆上，使模具垂直于横杆，再将模具底部外的细铁丝拆除，将裸光纤与配重固定连接，配重对光纤光栅施加一定的预应力，使光纤光栅垂直于传感器壳体。

步骤5：固化拆模

在室温下24h后，待圆筒形模具内的胶砂固化后，分别拆除顶部挡板、底部挡板、外圆筒模具及配重即可。最后将传感器壳体外端铠装光缆的接头与光纤传感解调仪连接后，即可实施测量。

通过本发明的实施，达到了良好的使用效果：一种胶砂式光纤混凝土应力传感器及其制作方法，制作应力传感器壳体的材料配比可根据现场岩土条件灵活调配，使得制作好的应力传感器与现场岩土介质的物理参数相匹配，从而可使测量误差减小；采用光纤光栅作为核心敏感元件，且壳体与光缆一体封装，使得传感器抗干扰能力强、精度高，埋入混凝土等恶劣环境中的存活率高、耐久性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的制作示意图。

图中：1、铠装光缆，2、壳体，3、裸光纤，4、光纤光栅，5、光纤传感解调仪，6、配重，7、横架。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种胶砂式光纤混凝土应力传感器及其制作方法，具有相容性好、匹配误差小、测试精度高、结构坚固、环境适应性强等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

参见图1，该胶砂式光纤混凝土应力传感器，包括铠装光缆1、壳体2和裸光纤3，裸光纤3设置在壳体2的内部中轴线上且平行于壳体2轴向，铠装光缆1设置在壳体2的进口端，铠装光缆1的一端与裸光纤3连接，铠装光缆1另一端与光纤传感解调仪5相连接，用于将数据传输至光纤传感解调仪5后换算出混凝土应力值；所述的壳体2材料为环氧树脂与砂的混合物，在壳体2的端部中心处设置有轴向的安装孔；所述的裸光纤3中部纤芯上还设置有光纤光栅4，裸光纤3通过安装孔设置在壳体2内；所述的壳体2制作材料砂和环氧树脂按重量进行配比，两者的比例范围为5：1~8：1，本实施例采用7:1进行配比；所述的光纤光栅4为在裸光纤3上制作的光纤布拉格光栅（fbg），光纤光栅4使得传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐水的优良特性，可在恶劣环境中使用；所述的壳体2的末端端面为感压面，当所测混凝土发生应力形变时，通过壳体2的端面的感压面将形变量传递给壳体2内部的光纤光栅4；所述的砂为标准砂或金刚砂。

实施例2：

参见图2，上述胶砂式光纤混凝土应力传感器的制作方法，包括：

步骤1：准备模具

根据拟制作的传感器尺寸，选取一截圆筒形模具（如pvc管），并将其上下平面切割平整且垂直于轴向，圆筒的长度与传感器长度相同，内径与传感器外径相同。

步骤2：确定选材及配比

根据待测岩土介质密度、弹性模量，选取环氧树脂和砂的种类，两者按重量进行配比，使得制作好的应力传感器与现场岩土介质的物理参数相匹配。

步骤3：制作传感器壳体

分别准备两块直径与圆筒形模具相同的圆形挡板，并在底部挡板的中心位置钻一小孔，将底部挡板粘接在圆筒形模具底部并固定牢靠，将按照步骤（2）调配好的壳体材料装入模具内，捣实并将顶部平整好,再将顶部挡板的中心位置钻孔，钻孔直径与铠装光缆相同。

步骤4：穿入光纤并固定

准备一竖直细铁丝，细铁丝直径刚好能穿过模具底部挡板上的小孔，长度大于模具高度至少2cm，将细铁丝从底部挡板中心小孔处穿入步骤（3）制作的传感器壳体并从顶部露出约1cm长度，准备好一头带铠装光缆另一头为裸光纤的光纤，裸光纤的中部设置有光纤光栅，将裸光纤穿入步骤（3）准备的顶部挡板直到顶部挡板到达铠装光缆部分，将裸光纤头部用快干胶粘贴在细铁丝露出模具顶部的那一端，拉着模具底部露出的细铁丝带动裸光纤穿入模具内部并从模具底部挡板上的小孔穿过，直到铠装光缆头部钻入模具内部约5mm为止，再将顶部挡板穿过铠装光缆放置在圆筒形模具顶部并与模具和铠装光缆固定牢靠，把模具垂直放置，将模具顶外的铠装光缆固定在操作架的横杆上，使模具垂直于横杆，再将模具底部外的细铁丝拆除，将裸光纤与配重固定连接，配重对光纤光栅施加一定的预应力，使光纤光栅垂直于传感器壳体。

步骤5：固化拆模

在室温下24h后，待圆筒形模具内的胶砂固化后，分别拆除顶部挡板、底部挡板、外圆筒模具及配重即可。最后将传感器壳体外端铠装光缆的接头与光纤传感解调仪连接后，即可实施测量。

本发明未详述部分为现有技术。