CN101598676B - 基于光纤传感的分布式高精度自监测frp筋/索的规模化生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤传感技术的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺。该工艺主要包括两道工序：(1)高精度光纤传感器的制备和封装，即采用无滑移和长标距的处理技术来改善现有普通单模通信光纤的传感精度，并在其***无粘结编织/缠绕纤维使其加固增强从而适应FRP筋/索的机械化生产；(2)固化长度(即单根FRP筋/索的长度)可控的自监测FRP筋/索的拉挤成型工艺，即将高精度光纤传感器的封装制品导入改造后的FRP筋/索规模化生产流程，该工艺能够保证筋/索的使用长度范围内树脂完全固化，而端头区域的树脂不固化以供光纤接口引出，主要包括光纤复合状态控制、筋/索的外形和长度控制、温度与牵引速度的耦合控制等关键工艺。

Description

基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺

(一)技术领域

本发明是一种基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，属于智能结构材料及传感监测的技术领域。

(二)背景技术

连续纤维增强聚合物复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)具有强度高、密度小、耐久性好等优点，因此，认为是可以在土木工程结构中代替钢材的优良选择。目前用于实际工程的纤维主要碳纤维、玻璃纤维、纺轮纤维和玄武岩纤维，纤维与聚合物可以复合成筋/索材、板材以及其他各种形式的型材。其中，FRP筋受到了研究者的广泛关注。国内，东南大学、福州大学等一些科研单位对FRP筋/索的基本力学性能及其增强结构的性能展开了比较***的研究。然而，FRP材料是一种各向异性材料，而且完全线弹性，故FRP筋/索存在抗剪能力差、脆性破坏等缺陷。对FRP筋/索实现全寿命周期的准确监测，可以积极促进这种高技术材料在实际工程中的广泛应用。

分布式光纤传感技术因其测试的分布性、网络性、稳定性等优点，近年来被不断应用结构健康监测。目前国际上分布式光纤传感技术依据其测试原理的差异主要分为强度型(如微弯型光纤)、干涉性(如SOFO***)和散射型(如基于布里渊散射的测试***)等。其中基于布里渊散射机理的BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectry)、BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)等传感技术由于其在温度、应变的测试精度高、信息全面以及测试距离长等方面的巨大优势，受到了各国研究者的青睐。自1989年Horiguchi等人提出首次分别提出了利用布里渊光的频移特性作为分布式应变和温度传感以来，经过近二十年的发展，测试的空间分辨率达到10cm，应变测试精度±6με，温度测试精度1℃。

将分布式传感光纤复合进FRP筋/索，形成一种智能结构材料，即自监测FRP筋/索。这样不仅使脆弱的光纤在实际使用时得到很好的保护，同时能够对FRP筋/索进行有效的实时监测，提高这种高强度、高耐久性的线弹性材料在工程应用时的安全性能。日本茨城大学吴智深等提出利用纤维封装光纤传感器，提高传感器在结构上布设时的耐久性和存活率；国内，哈尔滨工业大学欧进萍等首次将光纤光栅埋入FRP筋中，改善了光纤光栅在混凝土结构内部监测的环境。

但在实际生产、应用中主要存在这样一些问题：(1)光纤比较脆弱，在FRP筋/索的拉挤成型工艺中存活率很低，严重影响连续化大规模生产；(2)在FRP材料普通复合工艺(即热固性复合)中光纤传感器接口(即一段用于连接其他光纤传感器的自由光纤)引出比较困难；(3)传光元件(即纤芯和包层)与***树脂涂层之间存在滑移以及在空间分解能(即最小测量距离)内的光纤应变不均匀等因素降低了分布式传感测试时的精度。

针对上述问题，哈尔滨工业大学周智等对裸光纤(普通商业光纤)埋设进热固性FRP筋的探头引出进行了探讨和研究，即对光纤进行刷油隔胶，然后剥离固化的FRP筋使得光纤传感器接口引出；日本茨城大学吴智深、张浩等通过理论和实验研究提出光纤无滑移化和长标距化(即光纤定点布设)可以提高分布式传感光纤的测试精度。

然而目前各种研究中总是涉及到非常麻烦的人工处理，这不仅降低工业化水平，提高生产成本，而且会影响产品的成品率和性能的稳定性。而且，使用光纤一般都是普通商业通讯光纤，会降低产品的实际传感测试精度。

本发明是建立在各个环节完全机械化、可自动控制化的基础上，真正意义实现基于分布式光纤传感技术的高精度自监测FRP筋/索的规模化生产。

(三)发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种在很少量改动现有FRP筋/索和光纤的生产设备及工艺的前提下，适合于基于分布式光纤传感技术的高精度自监测FRP筋/索的大规模生产的制造工艺。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，包括以下步骤：

第一步、在高精度光纤传感器周围无粘结编织/缠绕增强纤维形成高精度光纤传感器的封装制品，也即光纤-纤维的干式复合增强光纤；

第二步、制备高精度自监测FRP筋/索：将纤维和高精度光纤传感器的封装制品分别通过纱轴和光纤轴进行放线，其中纤维导入浸胶槽充分浸渍树脂，而高精度光纤传感器制品通过淋胶孔在空中淋胶，然后直接经由集束架的中心孔与浸透树脂且被集束架集束定位后的纤维一起挤入中心管，在管中挤压初步成型，初步成型的自监测FRP筋/索用缠丝机进一步刻螺纹并挤胶成型，之后进入预热管对FRP筋/索预热，去除部分多余树脂；通过隔热层缠裹器对要求树脂不固化的区段缠、裹或包隔热材料，而树脂固化的区段就令其直接进入固化管固化成型；最后成品筋/索被夹具和夹具牵拉出生产线，在不固化段的中间位置用切割机切割成单件产品。

所述的高精度光纤传感器是无滑移光纤或长标距光纤。

所述的无滑移光纤的制备方法为：在光纤传光元件的纤芯和包层***直接涂敷一层刚度和厚度相对较大的树脂涂层，其中树脂涂层为普通商业单模通信光纤中的树脂涂层4或纤维浸润剂。

所述的长标距光纤的制备方法为：在无滑移光纤表面隔段涂覆一层隔胶层，或先在其***无粘结编织/缠绕增强纤维，再隔段涂覆隔胶层，其中标距长度(即隔胶层的每段长度)不小于25cm，锚固段长度(即没有涂覆隔胶层的每个区段长度)为2～3cm，隔胶层为PVC涂层、高温油膜或高温油膏。

利用张力器和高稳定性的连续牵引***控制光纤传感器与纤维的复合状态，保证光纤沿自监测FRP筋/索的通长范围内准确、均匀复合；通过中心管的内径控制自监测FRP筋/索的直径，而利用缠丝机缠丝的力度和速度可以控制螺纹的螺深和螺距；在加热段的中间区域，利用隔热层缠裹器给FRP筋/索缠、裹或包隔热材料，使该区段的树脂不固化；通过电路开闭控制***将隔热层缠裹器与牵引动力***串联在一起，以牵引行程来控制自监测FRP筋/索的固化段与不固化段的位置、长度；生产使用的树脂为改性的中、低温热固性树脂；建立温度与牵引速度对树脂固化的耦合模型，通过微机控制器将实际的温度与牵引速度输入预设模式计算，判断筋/索中的树脂固化情况，并作出是否调整的指令。

本发明的有益效果：

1、通过对光纤传感器***无粘结缠绕、编织纤维增强了光纤的抗剪、抗拉的能力，大大提高了其在自监测FRP筋/索生产过程中的存活率，即减少了产品工业化生产的废品率，降低了成本，提高了市场竞争力。

2、固化长度可控制的FRP筋/索生产工艺不仅方便了传感器的接口引出，还保证制品的传感、力学等各方面的优良性能，并且整个过程中几乎不涉及到手工劳动，大大提升制品的工业化程度，为大规模的工程应用奠定了基础。

3、相比于其他智能结构材料来说，本发明生产的制品具有分布式的传感、高稳定的监测以及高强的力学性能，因此其性价比非常高。本发明中还进一步提高了传感器的测量精度，使得本发明所生产的自监测FRP筋/索能够适应各种实际使用要求。因此，市场前景广阔。

4、本发明所生产的高精度FRP筋/索适应目前国家大型基础设施建设和运营的需求，尤其能够解决各种恶劣环境中的混凝土结构的长期监测的难题，具有很高的社会效益。

(四)附图说明

图1是普通商业单模光纤的结构示意图。

图2是本发明无滑移光纤制备的示意图。

图3是光纤长标距测试原理的示意图。

图4是本发明长标距光纤制备(方法一)的示意图。其中：4a是无滑移光纤***涂敷隔胶层的示意图，4b是长标距光纤制品横截面的结构示意图。

图5是本发明长标距光纤制备(方法二)之光纤-纤维干式复合的示意图。其中：5a是光纤***编织/缠绕纤维的示意图，5b是光纤-纤维干式复合制品横截面的结构示意图。

图6是本发明长标距光纤制备(方法二)之通长涂敷隔胶层的示意图。其中，6a是在纤维线管外通长涂敷隔胶层的示意图，6b是通长涂敷隔胶层的制品的横截面的结构示意图。

图7是本发明长标距光纤制备(方法二)之隔段涂敷隔胶层的示意图。其中，7a是在纤维线管外隔段涂敷隔胶层的示意图，7b是长标距光纤制品的横截面的结构示意图。

图8是本发明光纤-纤维干式复合的示意图。其中：8a是光纤***编织/缠绕纤维的示意图，8b是光纤-纤维干式复合制品横截面的结构示意图。

图9是本发明高精度自监测FRP筋/索的工业化生产的示意图。

图10是本发明高精度自监测FRP筋/索的示意图。其中：10a是成品筋/索及自由段光纤接口的结构示意图，10b是成品筋/索的横截面的结构示意图。

(五)具体实施方式

结合图例，对本发明的具体实施过程进行更详细的描述：

本发明技术方案主要包括以下三部分的内容：(1)高精度光纤传感器的工业化制备；(2)光纤-纤维的干式复合增强光纤传感器；(3)固化长度可控的自监测FRP筋/索的拉挤成型工艺。

(1)、高精度光纤传感器的工业化制备

目前可用于大规模监测的商业光纤一般为通信光纤，由于用途的不一致导致光纤结构设计的方法不同，而这种差异使得在作传感测量用时精度会下降。同时，现有的分布式光纤传感技术存在着空间分解能，要求在空间分解能内光纤应变均匀，否则很难准确反映真实情况。针对上述问题，提出了无滑移光纤和长标距光纤两种可提高光纤测试精度的上产制造方法。

1)无滑移光纤

结合附图2，在纤芯1和包层2外面直接涂覆一层树脂涂层5，要求其刚度相对较大，且与包层2紧密粘结。这样，一方面保护内部的传光元件(即纤芯1和包层2)，另一方面保证树脂涂层5与传光元件之间变形有效传递。根据这样的要求，目前树脂涂层5可采用树脂涂层4、复合材料工业中纤维经常使用的浸润剂(其主要成分有偶联剂、粘结剂、成膜剂等)或其他类似产品，这样还可以增强光纤与纤维复合时的界面。

2)长标距光纤

方法一：结合附图4，将上述无滑移光纤9经过涂覆机10间断涂覆一层隔胶层11(长度不小于25cm)，其中隔胶层11可以是高温油膜、高温油膏等，间断距离为光纤锚固段12的长度(一般为2～3cm)。

方法二：第一步，结合附图5，将增强纤维13和无滑移光纤9一起通过纤维编织机14，使纤维13围绕无滑移光纤9形成一层纤维线管15，从而保证无滑移光纤9在中间，增强纤维13可以是碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等各类纤维；第二步，把第一步的制品经过涂覆机10涂覆一层隔胶层11(结合附图6)，再隔段(隔段长度即为一个标距长度)去皮，而去皮长度为光纤锚固段12的长度，或者将第一步的制品经过涂覆机10直接间断涂覆一层隔胶层11(结合附图7)。

经过方法一和方法二处理之后，隔胶层11里的无滑移光纤9在以后制造智能筋时不与外面的纤维粘结在一起，保证了无滑移光纤9在该段里可以自由伸缩，即在伸缩时该段光纤的应变是均匀的。

(2)、光纤-纤维的干式复合增强光纤传感器

为了使脆弱的光纤传感器适应FRP筋/索的机械化生产工艺，需要对其进行增强保护，本发明采取了在光纤传感器***无粘结编织/缠绕纤维，也即将光纤传感器和纤维进行干式复合。依据不同的使用要求，纤维种类、编织方式、增强量、光纤类型和数量等都可以进行合理设计。

结合附图8，本类型采用将增强纤维13围绕高精度光纤传感器16经过纤维编织机14编成纤维线管15，从而保证高精度光纤传感器16在纤维线管15的中心位置。其中，高精度光纤传感器16可以是本发明中所述的无滑移光纤或长标距光纤，增强纤维13的极限延伸率要求与自监测智能FRP筋/索所用纤维的差不多或者比较大，且树脂的浸透性要好。

(3)、固化长度可控的自监测FRP筋/索的拉挤成型工艺

特制型自监测FRP筋/索的使用长度是预先定好的，针对这一特征，将现有的FRP筋/索固化成型工艺适当改造成适应特制型自监测智能FRP筋/索生产的工艺。目前常用的带螺纹FRP筋/索的生产主要经过以下几个工艺：纤维粗纱浸胶→集束挤胶成型→缠丝刻螺纹→加热固化成型。本发明在原有工艺的基础上，加入了固化长度控制这一关键流程。具体生产流程结合附图9加以详细说明。

纤维17和高精度光纤传感器的封装制品18(即为发明中上述的纤维线管15无粘结包覆高精度光纤传感器16，具体结合附图8)分别通过纱轴19和光纤轴20进行放线，其中纤维17导入浸胶槽21充分浸胶(树脂为热固性中、低温树脂)，而高精度光纤传感器的封装制品18为了避免弯折损伤而通过淋胶孔22在空中淋胶，然后直接经由集束架23的中心孔与浸透树脂且被集束架23集束定位后的纤维17一起挤入中心管25，在管中挤压初步成型。初步成型的自监测FRP筋/索需要用缠丝机26进一步刻螺纹并挤胶成型，之后进入预热管27对FRP筋/索预热，去除部分多余树脂，并且纤维和树脂有了一定温度。通过隔热层缠裹器28对要求树脂不固化的区段缠/裹/包隔热材料，而树脂固化的区段就令其直接进入固化管29固化成型。成品筋/索30被夹具31和夹具33牵拉出生产线，在不固化段的中间位置用切割机34切割成单件产品，然后搁置在支架35或直接将其盘成一定直径的筋/索盘。

成品筋/索30构造见附图10，其中高精度光纤传感器的封装制品18在热固性FRP40的中间，成品筋/索30的表面均匀布满螺纹39。

该生产流程有几个关键控制工艺：

1、光纤复合状态控制。为了提高光纤测试精度，要求纤维17和高精度光纤传感器的封装制品18能够均匀准确复合。为了达到这样的目的，一方面，可以在集束架23上安装张力控制器24，保证纤维17和高精度光纤传感器的封装制品18进入中心管25的初始张力相同；另一方面，利用高稳定性的连续牵引***(如连续液压牵引***，包括夹具31、夹具33和牵引动力***32)，保证沿FRP筋/索的通长范围内高精度光纤传感器的封装制品(8与纤维17的复合状态一致。

2、自监测FRP筋/索的外形控制。依据用途不同，产品的尺寸和外表状态是要求不一的。本工艺中，通过中心管25的内径可以控制自监测FRP筋/索的直径，而缠丝机26缠丝的力度和速度可以控制螺纹的螺深和螺距。

3、自监测FRP筋/索的长度控制。实际结构尺寸的多样化要求FRP筋/索的长度各式各样，精确控制树脂固化段与不固化段的长度是自监测FRP筋/索的整个生产流程中的关键。本发明是把电路开闭控制***37将隔热层缠裹器28与牵引动力***32串联在一起，当夹具33的行程达到设定长度时，即可打开或关闭隔热层缠裹器28，从而对树脂固化段与不固化段的长度实施精确控制，精度要求在±5cm以内。如果牵引的单行程不够要求长度，可将自监测FRP筋/索放置在支架35上面或盘起来。

4、温度与牵引速度的耦合控制。本发明中，问题的关键是一段区域的树脂固化而相邻另一段区域的树脂不固化，也即不固化段的温度要求低于树脂固化温度，固化段的温度必须高于树脂固化温度。不固化段的隔热材料只是暂时隔热，但如果长时间对其加热，热量还是能大量传递到自监测FRP筋/索，导致树脂固化。然而固化段必须充分加热，且不能过分加热，不然会影响自监测FRP筋/索的质量和表观。在整个工艺中，树脂的类型、加热的温度以及牵引速度是控制因素。综合了各方面的优缺点，本发明中采用了改性的中、低温固化树脂。温度与牵引速度对于树脂固化是耦合的，通过预先的试验参数可以计算“温度-牵引速度”树脂固化包络图。在生产过程中，微机控制器36通过探头将实际的温度与牵引速度输入预设模式计算，判断自监测FRP筋/索中的树脂固化情况，并作出是否调整的指令。

Claims (5)

1.一种基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，其特征是：包括以下步骤：

第一步、在高精度光纤传感器(16)周围无粘结编织/缠绕增强纤维(13)形成高精度光纤传感器的封装制品(18)，也即光纤-纤维的干式复合增强光纤；

第二步、制备高精度自监测FRP筋/索：将纤维(17)和高精度光纤传感器的封装制品(18)分别通过纱轴(19)和光纤轴(20)进行放线，其中纤维(17)导入浸胶槽(21)充分浸渍树脂，而高精度光纤传感器封装制品(18)通过淋胶孔(22)在空中淋胶，然后直接经由集束架(23)的中心孔与浸透树脂且被集束架(23)集束定位后的纤维(17)一起挤入中心管(25)，在管中挤压初步成型，初步成型的自监测FRP筋/索用缠丝机(26)进一步刻螺纹并挤胶成型，之后进入预热管(27)对FRP筋/索预热，去除部分多余树脂；通过隔热层缠裹器(28)对要求树脂不固化的区段缠、裹或包隔热材料，而树脂固化的区段就令其直接进入固化管(29)固化成型；最后成品筋/索(30)被两个夹具(31、33)牵拉出生产线，在不固化段的中间位置用切割机(34)切割成单件产品。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，其特征是：所述的高精度光纤传感器(16)是无滑移光纤或长标距光纤。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，其特征是：所述的无滑移光纤的制备方法为：在光纤传光元件的包层(2)***直接涂敷一层刚度和厚度相对较大的树脂涂层(5)，其中树脂涂层(5)为普通商业单模通信光纤中的树脂涂层(4)或纤维浸润剂。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，其特征是：所述的长标距光纤的制备方法为：在无滑移光纤(9)表面隔段涂覆一层隔胶层(11)，或先在其***无粘结编织/缠绕增强纤维(13)，再隔段涂覆隔胶层(11)，其中标距长度即隔胶层(11)的每段长度不小于25cm，锚固段长度即没有涂覆隔胶层(11)的每个区段长度为2～3cm，隔胶层(11)为PVC涂层、高温油膜或高温油膏。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化生产工艺，其特征是：利用张力器(24)和高稳定性的连续牵引***控制光纤传感器与纤维的复合状态，保证光纤沿自监测FRP筋/索的通长范围内准确、均匀复合；通过中心管(25)的内径控制自监测FRP筋/索的直径，而利用缠丝机(26)缠丝的力度和速度可以控制螺纹的螺深和螺距；在预热管(27)与固化管(29)之间，利用隔热层缠裹器(28)给FRP筋/索缠、裹或包隔热材料，使该区段的树脂不固化；通过电路开闭控制***(37)将隔热层缠裹器(28)与牵引动力***(32)串联在一起，以牵引行程来控制自监测FRP筋/索的固化段与不固化段的位置、长度；生产使用的树脂为改性的中、低温热固性树脂；建立温度与牵引速度对树脂固化的耦合模型，通过微机控制器(36)将实际的温度与牵引速度输入预设模式计算，判断筋/索中的树脂固化情况，并作出是否调整的指令。

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