一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器及其测量方法与流程

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器及其测量方法。

背景技术：

随着我国经济建设步伐的不断加快，在不断完善城市及周边乡镇基础公共设施建设、房屋建设等的过程中，各类管道、涵洞及隧道等曲面工程构件越来越常见。这些曲面工程结构作为大型土木工程的关键部位，其受力情况十分复杂。且它们的受力情况直接关系着工程建筑的安全，因此实时监测其应力应变显得尤为重要。

由于裸光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因此，需要将光纤光栅用钢片、合金套管等机械强度高的材料进行封装保护后才能投入使用。受封装材料的限制，光纤光栅传感器的外观通常为直线型，仅能用于测量如大型拱桥、孤形梁等半径大曲率小的孤形结构的切向应力应变，而对于如排水管道、地铁隧道等半径小曲率大的工程构件，由于被测构件与光纤光栅传感器形状不同，受同等外力作用产生的应变亦不同，这样就极大地影响了测量的精准度。将多个电阻应变片沿环向粘贴可用于检测环形构件的受力情况，但是这种以电信号为传导方式的技术抗外界电磁干扰能力差，且应变片长期暴露于各类复杂工程环境中，使用寿命十分有限。

综上，现有技术难以实现弧形曲面构件应力应变的测定，因此，本发明基于现有的光纤光栅光学传感元件及上述背景技术的不足之处，意在提供一种能够测量弧形曲面构件应力应变的光纤光栅传感器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，实现对于具有弧形曲面构建筑设施的全方位安全监控，提高建筑设施的后期监测力度和安全系数。

本发明采用的技术手段如下：一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，包括光纤光栅和包覆在外的保护材料，所述光纤光栅传感器呈弧状。

进一步的，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂。

进一步的，所述石英砂的粒径为75μm以下，所述玄武岩纤维的长度为5～7mm、直径为14～18um。

进一步的，各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂20～40份、固化剂1～2.5份、促进剂0.5～1.25份；玄武岩纤维体积掺量为0.2～0.8％。

进一步的，所述不饱和聚酯树脂替换为环氧树脂；各原料重量份为：环氧树脂100份、石英砂30份、固化剂80份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％。

进一步的，所述玄武岩纤维替换为碳纤维。

进一步的，所述的测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，采用注塑成型制成，具体包括以下步骤：

s1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌35～45min，制成胶液；

s2、在胶液中加入固化剂，继续搅拌5～8min，得到均匀的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直径为10～20mm、长度为10～20cm可弯曲圆管型外模以及与待测构件形状一致的预制内模；将外模弯曲成待测构件的弧形形状，并固定于光滑平面上；将光纤光栅预浸湿一层注塑液，粘贴于内模一侧，完成固化后，紧密贴合外模放置其内，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；

s4、封闭注射口，将完成注塑的样品于常温固化25～35min，后脱去外模，即得到与待测构件弧形形状相同的光纤光栅传感器。

进一步的，所述外模的直径为16mm，长度为15cm。

本发明的光纤光栅传感器可应用于弧形大型混凝土构件变形的测量。

本发明还提供一种弧形构件变形的测量方法，使用本发明所述的光纤光栅传感器，其形状与待测构件一致，将所述光纤光栅传感器埋设于待测构件内部，当待测物体受力产生形变时，与之紧密贴合的光纤光栅传感器也相应产生形变，导致输出信号变动，即对待测构件的变形进行测量，从而实现全方位、实时监控被测物体的应力应变。

本发明的有益效果，本发明提供了一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器及其测量方法。本发明使用可塑性树脂基复合材料作为光纤光栅传感器保护材料，采用注塑成型，制得的光纤光栅传感器与弧形待测构件的形状一致。将传感器埋入待测构件内部，当待测物体受力产生形变时，与之紧密贴合的光纤光栅传感器也产生相同的形变，保证了测量的精准度。同时，可根据待测构件的曲率调整成型模具形状，制成的传感器不仅能测量大型拱桥、孤形梁等半径大曲率小的孤形结构的切向应力应变，也能测量对于如排水管道、地铁隧道等半径小曲率大的工程构件。本发明对于实现对具有弧形曲面结构建筑设施的全方位安全监控，提高建筑设施的后期监测力度和安全系数具有重要的现实意义。而且本发明的传感器具有机械强度高、耐腐蚀性强的特点，可应用于不同的工程环境，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器的结构示意图；

图2为本发明的所述光纤光栅传感器在曲面构件中的示意图；

图中：1、保护材料，2、光纤光栅，3、光纤光栅传感器，4、曲面构件。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，包括光纤光栅2和包覆在外的保护材料1，所述光纤光栅传感器3呈弧状，所述保护材料1表面上布设有凹槽花纹；制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂20份、固化剂1份、促进剂0.5份；玄武岩纤维体积为不饱和聚酯树脂体积的0.2％；所述石英砂的粒径为75μm；所述玄武岩纤维的长度为5mm、直径为14um。

实施例2

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，包括光纤光栅2和包覆在外的保护材料1，所述光纤光栅传感器3呈弧状，所述保护材料1表面上布设有凹槽花纹；制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂40份、固化剂2.5份、促进剂1.25份；玄武岩纤维体积为不饱和聚酯树脂体积的0.6％；所述石英砂的粒径为60μm；所述玄武岩纤维的长度为7mm、直径为18um。

实施例3

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，包括光纤光栅2和包覆在外的保护材料1，所述光纤光栅传感器3呈弧状，所述保护材料1表面上布设有凹槽花纹；制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂30份、固化剂2份、促进剂1份；玄武岩纤维体积为不饱和聚酯树脂体积的0.6％；所述石英砂的粒径为50μm；所述玄武岩纤维的长度为6mm、直径为16um。

上述实施例1～3中任一实施例中的光纤光栅传感器的制备方法包括以下步骤：

s1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌40min，制成胶液；

s2、在胶液中加入固化剂，继续搅拌5min，得到均匀的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直径为15mm、长度为16cm的可弯曲圆管型外模及与待测构件形状一致的预制内模。将外模弯曲成待测构件的弧形形状，并固定于光滑平面上；将光纤光栅预浸湿一层注塑液，粘贴于内模一侧，完成固化后，紧密贴合外模放置其内，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；

s4、封闭注射口，将完成注塑的样品于常温固化30min，后脱去外模，即得到与待测构件弧形形状相匹配的光纤光栅传感器。

实施例4

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，与实施例3区别在于，本实施例中的光纤光栅传感器的制备方法如下：

s1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌35min，制成胶液；

s2、在胶液中加入固化剂，继续搅拌5min，得到均匀的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直径为10mm、长度为10cm的可弯曲圆管型外模及与待测构件形状一致的预制内模。将外模弯曲成待测构件的弧形形状，并固定于光滑平面上；将光纤光栅预浸湿一层注塑液，粘贴于内模一侧，完成固化后，紧密贴合外模放置其内，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；

s4、封闭注射口，将完成注塑的样品于常温固化25min，后脱去外模，即得到与待测构件弧形形状相匹配的光纤光栅传感器。

实施例5

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，与实施例3区别在于，本实施例中的光纤光栅传感器的制备方法如下：

s1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌45min，制成胶液；

s2、在胶液中加入固化剂，继续搅拌8min，得到均匀的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直径为20mm、长度为20cm的可弯曲圆管型外模及与待测构件形状一致的预制内模。将外模弯曲成待测构件的弧形形状，并固定于光滑平面上；将光纤光栅预浸湿一层注塑液，粘贴于内模一侧，完成固化后，紧密贴合外模放置其内，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；

s4、封闭注射口，将完成注塑的样品于常温固化35min，后脱去外模，即得到与待测构件弧形形状相匹配的光纤光栅传感器。

实施例6

本实施例与实施例3区别在于，所述玄武岩纤维替换为碳纤维。

实施例1～6使用的固化剂和促进剂为市售固化剂和促进剂，所述固化剂可选用白水，促进剂可选用蓝水。

实施例7

一种测量弧形构件变形的光纤光栅传感器，制备所述光纤光栅传感器的保护材料包括以下原料：环氧树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：环氧树脂100份、石英砂30份、固化剂80份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％；所述石英砂的粒径为50μm；所述玄武岩纤维的长度为6mm、直径为16um；固化剂可选用甲基四氢苯酐，促进剂可选用dmp-30。

对比例1

对比例1与实施例3的区别在于，所述光纤光栅传感器呈直状。

实施例1～7制成光纤光栅传感器的封装保护层的性能测试结果如下表：

由上表可知，实施例1～7制得的注塑液粘度适度，流动性相对较佳，注塑液易于均匀注塑，制成的保护材料具有高的弹性模量和拉伸强度。相对于实施例1～2，实施例3的弹性模量较高、拉伸强度较强，表明实施例3对应的组分配比为优选量；对比实施例3～5，随着搅拌时间和固化时间的延长，弹性模量和拉伸强度有所提高，但实施例3与实施例5的弹性模量和拉伸强度相差不大，结合资源节省的角度，实施例3的工艺参数为优选参数。实施例6将玄武岩纤维替换为碳纤维，制成的保护材料弹性模量也较高、拉伸强度也较强；实施例7中基体材料使用环氧树脂，注塑液流程有所下降，粘度增大，但制成的保护材料具有较高的弹性模量和拉伸强度。

上述测量弧形构件变形的光纤光栅传感器应用于弧形大型混凝土构件变形的测量。

一种弧形构件变形的测量方法，选用上述制得的光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器的成型弯曲程度与待测构件的弧形相匹配，将所述光纤光栅传感器埋设于待测构件内部，当待测物体受力产生形变时，与之紧密贴合的光纤光栅传感器也相应产生形变，导致输出信号变动，即对待测构件的变形进行测量，从而实现全方位、实时监控被测物体的应力应变。

实施例1～7与对比例1制成的光纤光栅传感器对弧形待测构件变形的测量结果如下表：

由上表可知，对比例1制成的传感器，应变传导效率差、传导误差大。而实施例1～7制成的传感器，应变传导效率优良、传导误差小。而且，实施例3相较于实施例1～2或实施例4～5，实施例3制成的传感器，应变传导效率更加优良、传导误差更小。实施例6将玄武岩纤维替换为碳纤维，制成的传感器传导效率也较高；实施例7中基体材料使用环氧树脂，制成的传感器应变传导效率较优良、传导误差较小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。