CN102706390A - 表面式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供表面式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法，所述传感器中，第一尾纤熔接在光纤光栅的一端，第二尾纤熔接在光纤光栅的另一端；第一护套和第二护套分别烧融在外壳两端，用于加强所述第一尾纤和第二尾纤与外壳的连接强度；外壳中的凹槽内安放有第一支撑套和第二支撑套，光纤光栅粘结在光栅支撑架上，光栅支撑架放置在第一支撑套和第二支撑套上，光栅支撑架两端粘牢固定在外壳中，光栅支撑架的中间部分则处于悬空状态为了使其适应各种结构物表面应变监测的需要。制作方法使粘贴有光栅的钢丝两端紧固，中间悬空，有效避免因横向应变产生的误差，从而有效消除了横向应变对测量结果的影响。

Description

表面式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及表面粘贴式传感器，具体涉及用于桥梁健康监测的表面式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法。

背景技术

土木工程结构的应力、应变和变形的监测需要各种类型的传感器材。土木工程结构往往是关系到国计民生的重大结构，保证其健康运行有重大意义。通过各种传感器测量土木工程结构在外载的作用下的有关的各种参数，从强度、刚度、抗裂性及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构本身与其使用要求的符合程度，传感器的性能对于土木工程结构性能评估的准确性由决定意义。

以光纤布拉格光栅为核心的传感器与传统的电子和机械传感器相比较，具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、体积小等优点。方便实现对桥梁，水坝，飞行器，舰船，油井等的实时监测，光纤光栅传感技术的应用越来越广泛。

光纤光栅传感器的光栅刻写在光纤上，光纤既是传感器又是传输媒介，可以将所有传感***的光栅集成到一根光纤上，采用灵活多样的调制传感技术，测量信号的种类多样。光纤光栅传感器的信号载体为激光，在光纤中传输的损耗极低，适合于长距离传输和监控。利用光纤光栅的特性，可以制成抗恶劣环境的光纤光栅传感器用于在高电压环境下等电磁干扰强烈的地方，此时传统传感器无法胜任；也可以利用激光的抗干涉性，制成准分布或者分布式光纤传感器，在结构上大量布置，它不仅能测量传感器处的变形或应力等物理量，而且同时可以得知位置，这样一根光纤通路就可以测出结构参数大致的分布状态，进行实时监测。

光纤光栅传感器在土木工程中的应用领域：1）混凝土的养护中的温度与应力的监测；2）混凝土机构裂缝的自监测和自诊断；3）混凝土结构应力、应变和变形的自监测；4）混凝土结构配合的钢筋（索）应力和变形的自监测。在以上的应用范围中结构物的结构参数测量监测是光纤传感器应用比较广泛的领域。主要利用光纤光栅自身测量信号特点，使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式行高分辨率和大范围测量，得到更加细致的结构参数，预测结构的局部载荷的状态。

光纤光栅的测量结果的可靠性特别的依赖被测点的温度的测量准确和横向应变影响的大小。尤其在实际工程应用中，温度和横向应变等光纤光栅的影响都是不可忽略的。要实现光纤光栅传感器的工程化和实用化，传感器的稳定性和实用性是必须要关注的。光栅刻写在玻璃纤维上，在土木工程施工中，非常容易受到损伤。因此使用的光纤光栅时应对其进行良好的封装，封装的结构和样式易于现场的安装。因此,目前急需一种既能保证光纤光栅传感器在实际测量中稳定工作，又相对廉价的封装及制作方法。

发明内容

本发明的目的在于提供表面式双层封装光纤光栅传感器及其制作方法。本发明的表面式双层封装光纤光栅传感器可有效避免横向应变的影响，具体技术方案如下。

表面式双层封装光纤光栅传感器，包括第一尾纤、第二尾纤、光纤光栅、光栅支撑架、第一护套、第二护套和开有凹槽的外壳，所述第一尾纤熔接在光纤光栅的一端，所述第二尾纤熔接在光纤光栅的另一端；第一护套和第二护套分别烧融在外壳两端，用于加强所述第一尾纤和第二尾纤与外壳的连接强度；外壳中的凹槽内安放有第一支撑套和第二支撑套，光纤光栅粘结在光栅支撑架上，光栅支撑架放置在第一支撑套和第二支撑套上，光栅支撑架两端粘牢固定在外壳中，光栅支撑架的中间部分则处于悬空状态。

上述的表面式双层封装光纤光栅传感器中，所述外壳由开有所述凹槽的两片条钢构成，光栅支撑架两端采用环氧树脂粘牢固定在两片条钢上。

上述的表面式双层封装光纤光栅传感器中，所述光栅支撑架为一根高强钢丝。

上述的表面式双层封装光纤光栅传感器中，所述光纤光栅通过环氧树脂粘结到所述高强钢丝上。

上述的表面式双层封装光纤光栅传感器中，第一尾纤、第二尾纤均套有热缩管。

本发明还提供了一种表面式双层封装光纤光栅传感器的制作方法，其包括如下步骤：

1）将第一尾纤、第二尾纤套上热缩管；

2）截取光纤光栅，使光栅位于中间位置；

3）将第一尾纤、第二尾纤各自与所述光纤光栅两端的裸纤熔接到一起；

4）将光纤光栅上含光栅的裸纤用环氧树脂粘结到光栅支撑架上；

5）烧融第一护套和第二护套，使第一护套、第二护套位于所述传感器外壳的端部，用于加强尾纤与外壳的连接强度；

6）将第一支撑套和第二支撑套放置在外壳的凹槽内，将粘贴有光纤光栅的光栅支撑架放置在第一支撑套和第二支撑套上，使光纤光栅与所述尾纤的两个熔接头位于所述护套与外壳端部之间的区域，在该区域注入环氧树脂；

7）拧紧构成所述外壳的两片条钢上的四个螺栓完成封装。

本发明通过简易封装设计，使粘贴有光栅的钢丝两端紧固，中间悬空，从而有效消除了横向应变对测量结果的影响。本发明与现有技术比较有如下优点：

1) 制作方法简易，成本合理。

2) 经过实际工程应用的检验。表面粘贴式的光纤光栅传感器设计易于在混凝土构件表面进行黏贴，并易于在钢构件表面进行焊接。双层封装结构可以很好的保护传感器抵御外界的侵袭。

3) 该光纤光栅传感器性能稳定，可以有效的进行土木工程的应变进行监测。

4）适用于现行的各种大型钢筋混凝土结构和钢结构表面的温度与应力、应变和变形的监测，特别是对大中型混凝土桥梁、钢箱梁桥的应变监测。

附图说明

图1是实施方式中的表面式双层封装光纤光栅传感器结构示意图。

图2是实施方式中杆型光纤光栅传感器应变-中心波长图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1，一种表面式双层封装光纤光栅传感器，包括第一尾纤1、第二尾纤8、光纤光栅6、光栅支撑架3、第一护套2、第二护套9和开有凹槽的外壳5，所述第一尾纤1熔接在光纤光栅6的一端，所述第二尾纤8熔接在光纤光栅6的另一端；第一护套2和第二护套9分别烧融在外壳两端，用于加强所述第一尾纤和第二尾纤与外壳的连接强度；外壳中的凹槽内安放有第一支撑套4和第二支撑套7，光纤光栅6粘结在光栅支撑架3上，光栅支撑架3放置在第一支撑套4和第二支撑套7上，光栅支撑架3两端粘牢固定在外壳中，光栅支撑架3的中间部分则处于悬空状态。所述外壳由开有所述凹槽的两片条钢构成，光栅支撑架3两端采用环氧树脂粘牢固定在两片条钢上。所述光栅支撑架3为一根高强钢丝。所述光纤光栅6通过环氧树脂粘结到所述高强钢丝上。第一尾纤1、第二尾纤8均套有热缩管。

上述一种表面式双层封装光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

1）将第一尾纤1、第二尾纤8套上热缩管；

2）截取光纤光栅，使光栅位于中间位置；

3）将第一尾纤1、第二尾纤8各自与所述光纤光栅两端的裸纤熔接到一起；

4）将光纤光栅上含光栅的裸纤用环氧树脂粘结到光栅支撑架上；

5）烧融第一护套2和第二护套9，使第一护套2、第二护套9位于所述传感器外壳的端部，用于加强尾纤与外壳的连接强度；

6）将第一支撑套4和第二支撑套7放置在外壳的凹槽内，将粘贴有光纤光栅的光栅支撑架放置在第一支撑套4和第二支撑套7上，使光纤光栅与所述尾纤的两个熔接头位于所述护套与外壳端部之间的区域（10、11），在该区域注入环氧树脂；

7）拧紧所述外壳的两片条钢上的四个螺栓12完成封装。

本实施例中，光纤光栅传感器的材料分为：光栅、外层封装模板、胶粘剂和辅助材料。其中，为保证表面粘贴式传感器能很好的传递结构表面的应变，并满足结构健康监测要求，外层封装模板使用性能优于普通钢筋的钢材；胶粘剂综合考虑到是否适用于光纤光栅和外层封装模板的粘结性能，是否具有较高的抗剪强度和耐久性，及能否有利于封装过程的顺利进行等因素而选择环氧树脂胶。

本实施例中，表面粘贴式光纤光栅传感器的受力结构由外层封装模板、支撑架两部分组成。外层封装模板为传感器的主要构件，它是两片带凹槽的条形钢材，长度为150mm，宽度为15mm，凹槽宽3mm，深1.5mm。支撑架是一根φ2的高强度钢丝，将光纤光栅紧密的粘贴在这根钢丝上，在光栅段的两端分别做成支架结构，使这根钢丝支撑在外层封装模板内部。钢丝两端采用环氧树脂粘牢固定。

光纤光栅传感器的标定：

本实施例中实验标定采用的方法与钢筋计的标定方法相同。得到相应的应变-布拉格中心波长关系，如图2所示。分可以看出传感器的布拉格中心波长变化和所传递的外界应变变化有很好的线性关系。

以上内容已经对本发明作了充分的说明，以下再举两个应用例子。

应用实例1  某大桥连续钢构混凝土表面应变监测，采用图1所示方条形光纤光栅传感器的封装：

1）按照本发明的方法进行传感器的制作。

2）将箱梁表面混凝土清理干净，用环氧树脂将传感器粘结到箱梁表面。

3）将传感器的尾纤进行串联熔接，得到分布式应变监测***。

应用实例2  某钢箱梁桥箱梁表面应变监测，采用图1所示方条形光纤光栅传感器的封装：

1）按照本发明的方法进行传感器的制作。

2）将钢箱梁钢板表面防锈漆清除干净，用环氧树脂将传感器粘结到箱梁表面，待环氧树脂凝固后在钢箱梁和传感器表面喷涂防锈漆。

3）将传感器的尾纤进行串联熔接，得到分布式应变监测***。

Claims (6)

1.表面式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于包括第一尾纤、第二尾纤、光纤光栅、光栅支撑架、第一护套、第二护套和开有凹槽的外壳，所述第一尾纤熔接在光纤光栅的一端，所述第二尾纤熔接在光纤光栅的另一端；第一护套和第二护套分别烧融在外壳两端，用于加强所述第一尾纤和第二尾纤与外壳的连接强度；外壳中的凹槽内安放有第一支撑套和第二支撑套，光纤光栅粘结在光栅支撑架上，光栅支撑架放置在第一支撑套和第二支撑套上，光栅支撑架两端粘牢固定在外壳中，光栅支撑架的中间部分则处于悬空状态。

2.根据权利要求1所述的表面式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于所述外壳由开有所述凹槽的两片条钢构成，光栅支撑架两端采用环氧树脂粘牢固定在两片条钢上。

3.根据权利要求1所述的表面式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于所述光栅支撑架为一根高强钢丝。

4.根据权利要求3所述的表面式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于所述光纤光栅通过环氧树脂粘结到所述高强钢丝上。

5.根据权利要求3所述的表面式双层封装光纤光栅传感器，其特征在于第一尾纤、第二尾纤均套有热缩管。

6.一种表面式双层封装光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将第一尾纤、第二尾纤套上热缩管；

2）截取光纤光栅，使光栅位于中间位置；

3）将第一尾纤、第二尾纤各自与所述光纤光栅两端的裸纤熔接到一起；

4）将光纤光栅上含光栅的裸纤用环氧树脂粘结到光栅支撑架上；

5）烧融第一护套和第二护套，使第一护套、第二护套位于所述传感器外壳的端部，用于加强尾纤与外壳的连接强度；

6）将第一支撑套和第二支撑套放置在外壳的凹槽内，将粘贴有光纤光栅的光栅支撑架放置在第一支撑套和第二支撑套上，使光纤光栅与所述尾纤的两个熔接头位于所述护套与外壳端部之间的区域，在该区域注入环氧树脂；

7）拧紧所述外壳的两片条钢上的四个螺栓完成封装。

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