监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光纤传感技术和土木结构工程安全监测领域，涉及到一种新型监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器。
【背景技术】
[0002]光纤传感具有众多优势，它抗电磁干扰无漂移、耐久性好、高分辨率、高精度、体积小、封装结构简单，且可进行长距离准分布式/分布式实时监测等优点，因而在结构健康监测传感技术中被广泛应用，且光纤传感被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，探测其损伤的传感技术。目前该技术已被认为是用于土木工程结构长期安全监测的理想传感元件。
[0003]寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程中的主要病害。混凝土在潮湿条件下，毛细孔会吸满水，在低温下，毛细孔中的水冻结成冰，体积膨胀约9%，从而在混凝土内部产生应力。由于冻融的反复作用或内应力超过混凝土极限强度从而导致混凝土产生局部破坏。东北的云峰水电站，大坝建成运行不到10年，溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10000m2，占整个溢流坝面积的50%左右，混凝土平均冻融剥蚀深度达10cm以上。因此对混凝土结构的冻融膨胀破坏进行实时监测、评估，从而进一步科学指导结构的维护是十分必要的。
[0004]目前，对混凝土结构现场实时监测的相关研究与报道非常少，且主要都集中在实验室的材料性能研究阶段。实验室内部的研究主要是依据规范对混凝土标准试块进行快速、慢速冻融试验，其主要测量的参数有动弹性模量和质量损失率等。但是该种试验研究方法与其测得的试验参数都无法对在役的混凝土进行有效的评判，更不能够达到实时监测的目的。
[0005]赵雪峰，吕兴军等人提出了一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器(CN201320404147.8)，该传感器是采用单模抗弯光纤缠绕在混凝土圆柱体上，利用光纤缠绕线圈直接测量混凝土圆柱体因冻融引起环向变形。但是该传感所采用被缠绕体是直径为5cm-8cm的圆柱体，因其体积小且其形状为圆柱形，很难保证其与被监测的混凝土结构有很好的相容性，且其所能监测的范围有很大的局限性，且其需要取芯，制作工艺复杂，不够经济，施工工艺复杂。
[0006]陈计信在其《光纤法珀传感器在冰冻及冻土监测中的应用》硕士学位论文中公开了一种光纤法珀传感器，该方法是将光纤传感器植入冰冻内部，通过监测光纤传感器光谱的改变，从而探知传感器的冻胀情况，空心光子晶体光纤法珀冰冻检测试验使用光纤法珀作为监测冰冻是否发生的应变传感器。但是该方法是将传感器直接植入被测试件的内部，因此其空腔段长度以及空腔段与周围混凝土界面接触状态都将影响其监测的结果，且因其空腔段长度的限制，其最后测得的结果只是空腔段周围冰冻及冻土的冻胀情况，此监测结果太过局限性。另外因温度不确定性，混凝土在冻融过程中很有可能只发生表面毛细水发生冻胀，而混凝土内部并未发生冻胀的不均匀冻胀情况，传感器因其放置位置对监测结果产生较大的影响，因此对混凝土的实时监测效果不具有说服力。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种实时监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器。该传感器采用缠绕在混凝土板表面的单模抗弯光导光纤作为传感单元，该传感器可以浇筑于混凝土结构内部，且其材料特性是与被监测混凝土结构的配合比相一致，具有非常好的相容性，不会对结构造成缺陷和损害；并且本实用新型中所用到的单模抗弯光纤具有很好的耐久性，从而可实时对钢筋混凝土结构因冻胀引起混凝土板的周向应变进行长期，稳定的监测，进而实现对整体混凝土结构的实时评估。
[0008]本实用新型的技术方案是:
[0009]一种监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器，包括水泥砂浆保护层1、混凝土板2、温度补偿光纤光栅3、钢管4、光缆5和单模抗弯光纤缠绕线圈6 ;单模抗弯光纤纵向缠绕在混凝土板2的表面，单模抗弯光纤缠绕长度大于3m，根据实际情况确定缠绕圈数，形成以混凝土板2为中心的单模抗弯光纤缠绕线圈6 ;混凝土板2内设置用于保护温度补偿光纤光栅3的钢管4，温度补偿光纤光栅3 —端光纤与光缆5连接引至混凝土板2外部与测量仪器连接，温度补偿光纤光栅3的另一端置于钢管内；2-5_厚的水泥砂浆保护层1置于以混凝土板2为中心的单模抗弯光纤缠绕线圈6外围，起到保护作用。
[0010]所述的单模抗弯光纤纵向缠绕20-25圈在混凝土板2上，在单模抗弯光纤缠绕过程中，对单模抗弯光纤施加应变为350-900 μ ε的预张拉应力，确保光纤与混凝土板表面结合紧密；
[0011]所述的混凝土板为长度20cm、宽10cm、厚度3cm且纵向两末端圆弧形式。
[0012]本实用新型采用的混凝土板与被测混凝土结构的混凝土原料及配合比相同，利用缠绕在混凝土板表面的线圈测量混凝土板因冻融循环引起的周向膨胀应变。可以应用光纤白光迈克尔逊干涉传感器技术或光纤布里渊传感技术实现对在役混凝土结构因冻融引起混凝土板的周向膨胀应变的监测。为补偿单模抗弯光纤因温度引起的应变，本实用新型在混凝土板内部埋入温度补偿光纤光栅，进而使传感器所监测到的应变更为精确，同时实现钢筋混凝土结构内部温度的测量。
[0013]在实际应用的过程中，将该传感器直接浇筑在混凝土结构测点的内部，将传感器的一头圆弧末端靠进保护层，圆弧末端表面距离保护层表面3-5_，另一侧直接浇筑在混凝土结构内部。当测点处混凝土受到外界环境冻融作用时，传感器内部的混凝土板将产生因冻融引起的周向变形，随之缠在混凝土板表面的光纤将会产生变形，即光纤线圈的应变。基于该变形传递途经，应用光纤白光迈克尔逊干涉传感器技术或光纤布里渊传感技术可以实现测点冻融变形的监测。
[0014]本实用新型的效果和益处:本实用新型被缠绕的混凝土板与被测混凝土结构具有相同的配比，利用单模抗弯光纤缠绕线圈直接测量整个混凝土板的冻融膨胀应变。本实用新型可以对监测点处混凝土从服役期开始，经过若干个冻融循环周期作用，直至混凝土保护层开裂、剥落，实现对混凝土冻融膨胀应变的精确监测。而且，本实用新型所用到单模抗弯光纤具有很好的耐久性，这将大大提高传感器的寿命。另外，因为该传感器是直接浇筑在混凝土结构内部，所以其与混凝土结构具有非常好的整体性，进而，其监测的结果更能有力的表述混凝土结构冻融破坏情况。
【附图说明】
[0015]图1是监测混凝土内部冻融膨胀应变光纤传感器封装结构立面示意图。
[0016]图2是监测混凝土内部冻融膨胀应变光纤传感器封装结构平面示意图。
[0017]图中:1水泥砂浆保护层；2混凝土板；3温度补偿光纤光栅；4钢管；5光缆；6单模抗弯光纤缠绕线圈。
[0018]具体实施方法
[0019]以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的【具体实施方式】。
[0020]监测混凝土内部冻融膨胀应变光纤传感器，其封装结构包括:水泥砂浆保护层、单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、厚度为3cm，长度为20cm，且纵向两末端圆弧形式的混凝土板、钢管和光缆。
[0021]首先，根据被测混凝土结构的配合比，饶筑一个长度为20cm，宽度10cm，厚度为3cm，且纵向两末端圆弧形式的混凝土板，亦可根据具体混凝土测点情况选取具体尺寸。在浇筑的过程中，预先在混凝土板内埋入用于保护光纤光栅的钢管，并将温度补偿光纤光栅放入钢管内部，光纤光栅的一端光纤与光缆连接引致外部保护好，准备与测量仪器链接，光纤光栅的另一端在钢管内部自由放置。将浇筑好的混凝土板放置标准养护室进行养护。待其养护完毕之后，将混凝土板表面进行打磨，使其被缠绕光纤部位光滑，然后将单模抗弯光纤以350-900 μ ε的预张拉应力缠绕在混凝土板表面，且使被缠绕的光纤线圈之间紧密并排在混凝土板表面。缠绕圈数在20-25圈，光纤缠绕长度大于3m，在此基础上可以根据具体情况改变相应缠绕的线圈圈数。当线圈缠绕完毕之后，用502粘结剂将缠绕光纤两端固定在混凝土板表面，两端光纤引出。以上工作完成之后，进行检查光纤的通路检查，最后在混凝土板表面浇筑一层2-5_的水泥砂浆保护层，完成对传感器的封装，如图1，2所示。
【主权项】
1.一种监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器，其特征在于，该监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器包括水泥砂浆保护层、混凝土板、温度补偿光纤光栅、钢管、光缆和单模抗弯光纤缠绕线圈；单模抗弯光纤纵向缠绕在混凝土板的表面，单模抗弯光纤缠绕长度大于3m，根据实际情况确定缠绕圈数，形成以混凝土板为中心的单模抗弯光纤缠绕线圈；混凝土板内设置用于保护温度补偿光纤光栅的钢管，温度补偿光纤光栅一端光纤与光缆连接引至混凝土板外部与测量仪器连接，温度补偿光纤光栅的另一端置于钢管内；2-5mm厚的水泥砂浆保护层置于以混凝土板为中心的单模抗弯光纤缠绕线圈外围，起到保护作用。2.根据权利要求1所述的监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器，其特征在于，所述的单模抗弯光纤纵向缠绕20-25圈在混凝土板上；在单模抗弯光纤缠绕过程中，对单模抗弯光纤施加应变为350-900 μ ε的预张拉应力，确保光纤与混凝土板表面结合紧處I_L| ο3.根据权利要求1或2所述的监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器，其特征在于，所述的混凝土板为长度20cm、宽10cm、厚度3cm且纵向两末端圆弧形式。
【专利摘要】本实用新型提供了一种监测混凝土结构内部冻融膨胀应变光纤传感器，包括纵向两末端圆弧形式的混凝土板、单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、钢管、水泥砂浆保护层和光缆。被测混凝土板采用与被测混凝土结构所用的混凝土原料配合比相同，光纤直接纵向缠绕在被测混凝土板表面，进行因冻融循环引起的混凝土板周向变形。可监测整个测点处混凝土从服役期开始，在经历若干冻融循环周期作用过程，以及最后保护层开裂，剥离过程中混凝土板的周向变形，实现对混凝土冻融膨胀应变的精确监测。同时因光纤本身就有很好的耐久性，将提高传感器的耐久性。该传感器可应用于大坝、桥梁等混凝土结构的冻融膨胀应变监测，具有高精度、寿命长、方便布设等特点。
【IPC分类】G01B11/16
【公开号】CN205066708
【申请号】CN201520840284
【发明人】廖开星, 吕海锋, 孔祥龙, 颜永贵, 周波, 孙长森, 赵雪峰
【申请人】广东核电合营有限公司, 苏州热工研究院有限公司, 大连理工大学, 中国广核集团有限公司, 中国广核电力股份有限公司
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月27日