高性能微预应力热塑型智能光纤棒及其制作方法与流程

本发明涉及建筑复合材料、传感器、工程检测和固体力学领域，尤其涉及一

种高性能微预应力热塑型智能光纤棒及其制作方法。

背景技术：

光纤内部的布里渊散射光对应力和温度敏感。根据这个原理，已经有较成熟的分布式光纤传感技术。该技术的特点是连续测量而不是传统的点式测量，因此其应用与推广，将导致工程检测领域以及传感器应用领域的革命性的技术突破。日本、加拿大、德国以及中国都相继研制出布里渊散射光纤解析仪，俗称光纳仪。所用的光纤非常纤弱，不能适应粗放的工程施工环境，因此需要加以保护。

一般的通讯光缆虽然有厚重的外围保护层，但是把应力的传递和热传递都隔绝了，不适合做传感器使用。而裸光纤和紧包光纤都很脆弱，在内置于混凝土构件的情形中，浇筑、振捣操作会使光纤断裂；而深埋于边坡探槽情形中，敷设回填过程会破坏光纤；在附着式安装的情形中，也会因为操作不慎随时会断裂失效。因此，需要在工程内预先将光纤固定于合适的工程材料中，做成复合材料线材，以便施工。这种线材需要具有一定的刚度、又要有一定的柔性，同时具备较高的强度。另外，这种复合材料线材，还应具有较好的再加工特性，以便分段运输、现场对接和形成美观的端头。

针对这种需求，我们已经研制出玻璃纤维光纤智能筋，其制作方法是将光纤植入玻璃纤维FRP材料中。（其中FRP是fiber reinforced polymer的缩写，即纤维增强高分子材料，成品是一种复合材料。）

FRP形成直径6mm左右的连续筋材，可以用做姊妹筋（将玻璃纤维光纤智能筋与建筑钢筋并列），也可以充当替代筋（将其取代建筑钢筋）。这种FRP产品存在以下不足之处：

1、虽然拉伸强度高，但是属脆性材料，因此弯转性能不好，通常在运输时，最小弯曲半径1.5米，而在工程敷设中，最小弯曲半径限制在1.75米，不能适应较小的或弯曲度大的工程构件；

2、属于热固型材料，因此不便做二次加工；

3、拉挤型工艺的材料加有整体性的脱模剂硬脂酸锌，因此不便胶结连接，也不便端部胶结固定，而拉缠工艺会导致光纤微微弯曲松弛，引起过大的光衰减，影响传感器的敏感性。

因此，我们在此基础上，研制开发了一种高性能微预应力热塑型智能光纤棒及其制作方法。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高性能微预应力热塑型智能光纤棒及其制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

1、采用微预应力技术

首先，光纤太纤弱，不能适应粗放的工程施工，因此将光纤固化在6mm左右聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料等热塑型材料中，形成带有光纤的智能筋材；

其次，因为光纤不能感应收缩应变，即不能感受压应力，为此在固化时，用一个较小的力牵引光纤，使之处在一种弹性拉伸状态，在周边的热塑材料固化后，光纤仍然有3000μ左右的拉伸变形；测量时将3000μ作为零点，在实际应用中，如果发生压缩变形，则光纤的读数下降到3000μ以下，光纤仍然处于拉伸状态；这种微预应力在热塑材料固化时，就赋予光纤，并一直使光纤处在微预应力状态，在几何形态上保持微拉伸状态。

2、采用热塑型材料

以往的技术采用GFRP材料加以固化，一旦固化，不能再次成型。本发明采用聚乙烯材料、或者聚四氟乙烯等热塑型材料；加工过程是把母粒加热软化，并拉挤成型，在成型的同时，将施加了微预应力的光纤，也就是绷紧的光纤，安置在棒状材料的中间，并连续拉挤形成线材。用冷水冷却后即固化。

这样热塑固化形成的筋材，可以二次成型，形成美观的接头，将光纤熔接部分再次包在筋材内部光纤熔接点是刮除保护膜的裸光纤，用热塑套40保护。筋材连接部位光滑、等直径（也可采用较粗直径），整体形态规则、美观。

二次成型的热塑材料还可以形成美观雅致的端头，其原理与重塑连接点类似。

具体地说：

一、高性能微预应力热塑型智能光纤棒（简称光纤棒）

本智能棒包括传感光纤和热塑型棒体；

在传感光纤外包罗有热塑型棒体。

所述的传感光纤是一种施加有微预应力的通信光纤。

所述的热塑型棒体是一种高分子材料包裹件。

二、高性能微预应力热塑型智能光纤棒的制作方法

①在牵引装置上，将绕在绕线架上的通信光纤引出经过压紧轮固定在牵引轮上，压紧调节机构控制压紧轮的松紧，调节施加给通信光纤的微应力的大小，得到智能光纤；

②在热塑成型流水线上，智能光纤和热塑材料母粒从主进料口进入，其它材料从辅进料口进入；

③在工作腔内，经过加热、成形和冷却等工序，智能光纤被流动中的全部热塑材料包裹；

④在出料口得到一种由智能光纤和热塑型棒体组成的高性能微预应力热塑型智能光纤棒；

⑤经过计量长度，卷绕成卷；

⑥经过质量检验以后，得到合格成品。

本发明具有下列优点和积极效果：

1）施加了微预应力，光纤不会弯曲、皱褶，保证不会发生较大的光损，也就是说，避免了光阻塞，保持光路畅通；

2）通过移动工作状态，把3000μ作为传感元件的工作零点，使压缩变形表现为负的拉伸，解决了光纤不能感应压应力应变的问题；

3）由于采用热塑型材料，在使用过程中，可以通过加温再次融化基体找出光纤线头；可以通过再次融化形成美观的端头；可以再融化连接中间接头，使微预应力热塑型光纤智能筋在接头处恢复流畅的形态，并恢复力学承载能力。

4）热塑型材料可以多次反复加热融化，多次再成型，因此使用方便，结构美观、牢固、可靠。

5）热塑型材料成形温度适宜，大约在150到170摄氏度之间，对光纤安全无损害。

6）热塑型光纤智能筋强度高，化解了光纤的脆弱和工程施工的粗放性之间的矛盾。

本产品的其他优势：

①质量轻，密度为1900kg/m3，具有较高的刚度和韧性，还具有不锈蚀、无磁性、电绝缘、没有涡流损失和无涡流干扰等功能；

②属于无源传感器，无需电源，不存在电极腐蚀等问题。

③寿命长，基体材料热塑塑料在结构内部，与光纤、空气隔绝，因此寿命长；功能材料光纤本质是玻璃，与结构等寿命。

附图说明

图1是智能光纤棒的结构示意图（主视）；

图2是智能光纤棒的结构示意图（侧视）

图3是牵引装置的示意图；

图4是热塑成型流水线的示意图。

00—通信光纤；

10—传感光纤；

20—热塑型棒体；

30—牵引装置，

31—牵引轮，32—压紧轮，33—压紧调节机构，34—绕线架；

40—热塑成型流水线，

41—工作腔，42—主进料口，43—辅进料口，44—出口。

50—热塑材料母粒

60—其它材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、智能光纤棒

如图1、2，本智能光纤棒包括传感光纤10和热塑型棒体20；

在传感光纤10外包罗有热塑型棒体20。

所述的传感光纤10是一种施加有微预应力的通信光纤。

所述的热塑型棒体20是一种高分子材料包裹件。

二、智能光纤棒的制作设备

1、牵引设备30

如图2，牵引装置30包括牵引轮31、压紧轮32、压紧调节机构33和绕线架34。

2、热塑成型流水线40

如图3，热塑成型流水线40包括工作腔41、主进料口42、辅进料口43和出料口44，在工作腔41内设置有加热、成形模具和冷却等系统。

三、智能光纤棒的制作方法

①在牵引设备30上，将绕在绕线架34上的通信光纤00引出经过压紧轮32固定在牵引轮31上，压紧调节机构33控制压紧轮32的松紧，调节施加给通信光纤00的微应力的大小，得到智能光纤10；

②在热塑成型流水线40上，智能光纤10和热塑材料母粒50从主进料口42进入，其它材料60从辅进料口43进入；

③在工作腔41内，经过加热、成形和冷却等工序，智能光纤10被流动中的全部热塑材料包裹；

④在出料口44得到一种由智能光纤10和热塑型棒体20组成的高性能微预应力热塑型智能光纤棒；

⑤经过计量长度，卷绕成卷；

⑥经过质量检验以后，得到合格成品。

四、智能光纤棒的应用

①将智能光纤棒布置在混凝土结构内部，可以与钢筋并列成为姊妹筋，也可以取代钢筋成为替代筋；

②将智能光纤棒连接到光纤解析仪即光纳仪，由光纳仪发出探测光和激励光，并由光纳仪读取光纤中的散射光并加以分析，得到光纤沿线的温度、应力信息，并自动记录，记录的数据可以用U盘或网线引出到电脑。