CN113587821A - 一种用于监测钢混组合结构界面相对滑移的光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面相对滑移的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。包括OFDR光纤，硬性橡胶，金属外壳，金属薄板，金属滑块。所述传感器基于瑞利背向散射原理，当钢材与混凝土界面发生相对滑移时，不锈钢滑块的移动对金属斜板产生压力，该力通过硬性橡胶的变形传递至OFDR分布光纤处，从而引起光纤应变光谱信号的变化，由此建立金属滑块滑移量与光纤应变变化间的关系，以实现对钢混组合结构界面相对滑移的分布式监测。该传感器测量精读较高，且达到分布式效果，具有制作简单、人工成本低、灵敏度高等优点，具有广阔的应用前景，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于OFDR分布光纤技术的用于监测钢混组合结构界面相对滑移的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域，用于钢-混凝土组合结构界面相对滑移的监测。
背景技术
钢混组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，它充分利用了钢材和混凝土两种材料各自的优点，具有显著的经济效益和社会效益，已被成功应用于许多超高层建筑及大跨桥梁等结构中。在钢混组合结构尤其是组合梁中，抗剪连接件通常为柔性连接，这就导致了组合梁钢与混凝土交界面会发生相对位移，该现象对组合梁的承载力、变形和抗震性能产生重要影响。因此为了确保结构安全正常运行，对钢混组合结构界面滑移的监测是必不可少的。
钢混组合结构界面滑移的监测往往采用位移传感器，但是测量数据精度较低，布置点较为离散，不能实现累计滑移的监测，与仪器连接也较为繁杂。另外采用超声探头，也只能监测某一位置点的滑移，不能实现分布监测。
OFDR光纤具有尺寸小、重量轻、抗电磁干扰性强等优点，且能够达到分布监测的效果，广泛应用于应变、温度等分布监测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构钢材与混凝土界面之间相对滑移的光纤传感器，该传感器的特点是监测精度高，构造简单，且沿钢材和混凝土界面全长分布，能够提供界面滑移量沿界面长度的分布，保证钢构件和混凝土构件的共同作用及结构的整体安全性。
本发明的技术方案：
一种基于OFDR分布光纤技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，所述的光纤传感器包括金属外壳1、金属斜板2、金属滑块3、硬性橡胶4、OFDR光纤5、环氧树脂胶9；
所述的OFDR光纤5与硬橡胶4采用环氧树脂胶9粘结；
所述的不锈钢外壳1中间部分均分为两半，每一半均可精密加工制成，如图4所示,两半可通过激光焊接拼装成一体；
所述的不锈钢滑块3上部薄板结构高度低于不锈钢外壳1，便于滑动；
所述的不锈钢滑块3上部与混凝土相嵌的部分尺寸根据浇筑的混凝土属性及厚度进行调整；
所述的不锈钢斜板2倾斜的角度根据实际监测精度需求进行调整；
所述的光纤传感器6中不锈钢滑块3的尺寸大小间距以及硬性橡胶4的厚度和硬度根据待测组合结构界面长度和敏感性监测要求进行调整；
所述的钢构件8表面中间位置进行开槽，用于光纤传感器6的放置，且放置后光纤传感器不锈钢外壳1上表面与钢构件8上表面平齐；
所述的光纤传感器6置于钢构件8的凹槽中固定；
本发明工作原理：
基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构钢材与混凝土界面相对滑移的光纤传感器原理如图7所示，当钢混组合结构用于连接钢构件8(如钢梁)和混凝土构件7(如混凝土板)的连接件(如销栓)不足而产生相对滑移时，嵌在混凝土中的不锈钢滑块3会随混凝土一起移动。由于不锈钢滑块3是嵌入不锈钢上部薄板里面，因此，不锈钢滑块3会对两侧的不锈钢斜板2产生斜向下的压力F’，从而引起不锈钢斜板2挤压接触的硬性橡胶4，进一步挤压硬性橡胶4里面的OFDR光纤5，使得光纤中的应变光谱信号发生变化。通过建立不锈钢滑块3滑移量与OFDR分布式光纤5应变变化的关系，实现对钢混结构混凝土7与钢材构件8界面相对滑移的监测。本传感器沿长度方向布置了许多不锈钢滑块3，可以实现界面相对滑移量沿钢混组合结构钢材8与混凝土7界面的相对滑移的分布监测。该界面相对滑移光纤传感器的敏感性取决于内部橡胶4的厚度和硬度、金属滑块3的尺寸大小及间距。
本发明的有益效果：
(1)本发明将OFDR光纤与橡胶进行粘结，一旦橡胶受压，OFDR光纤便会受到压力发生光谱信号变化，这使得该发明具有较高的灵敏度。
(2)本发明因构造小的特点，在埋入钢混组合结构中后，不会过大影响钢混结构的粘结性能，较大程度地实现了对界面滑移的无损检测。
(3)本发明抗干扰性强，且具有较高的分辨率，可以实现高精度监测钢混组合结构界面滑移量分布情况。
(4)本发明的监测敏感性取决于内部橡胶的厚度和硬度、不锈钢滑块的尺寸大小及间距。
(5)本发明操作简单，布设方便，且制作简便，对于实验室相关研究以及大型钢混组合结构的滑移监测，均可实时进行，适合推广，具有较高的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器1-1剖面图；
图2为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器俯视图；
图3为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器3D示意图；
图4为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器金属外壳立体剖面图；
图5为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器金属滑块立体图；
图6为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器2-2剖面图；
图7为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器工作原理示意图，左图为界面相对滑移前，右图为界面相对滑移后；
图8为本发明基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器工程安装布置示意图；
图中：1金属外壳；2金属斜板；3金属滑块；4硬性橡胶；5OFDR光纤；6基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器；7混凝土；8钢构件(如钢梁)；9环氧树脂胶；10光纤解调仪。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-8所示，一种基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，所述的光纤传感器包括金属外壳1、金属斜板2、金属滑块3、硬性橡胶4、OFDR光纤5、粘结胶9；
所述的OFDR光纤5与硬性橡胶4可采用环氧树脂胶9粘结；
所述的金属外壳1中间部分均分为两半，每一半均可精密加工制成，如图1所示,两半可通过激光焊接拼装成一体；
所述的金属滑块3上部薄板结构高度低于金属外壳1，便于滑动；
所述的金属滑块3上部与混凝土相嵌的突出部分根据混凝土材料的属性和厚度进行调整；
所述的金属斜板2倾斜的角度会影响到监测精度和空间分辨率，具体角度根据实际需要进行调整；
所述的光纤传感器6中金属滑块3的尺寸大小间距以及硬性橡胶4的厚度和硬度根据待测组合结构界面长度和敏感性要求进行调整；
所述的钢梁8表面中间位置进行开槽，用于光纤传感器6的放置，且放置后光纤传感器金属外壳1上表面与钢梁8上表面平齐；
所述的光纤传感器6置于钢梁8的凹槽中后可采取环氧树脂胶9固定，且注意涂抹胶时避开金属滑块3部分；
在本发明实施例中，一种基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器的制备方法，包括上述任意一项所述的OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，包含以下步骤：
步骤1：根据钢混组合结构尺寸需要选择合适长度的分布式单模光纤。
步骤2：为了方便光纤的安置，将橡胶等体积均分为块，以每个滑块下方的橡胶作为一块，按照图2、3形状及尺寸进行橡胶块的制作，橡胶的厚度和硬度根据监测的具体精确度需要而定，制作完成后根据光纤的大小在橡胶块下方进行开口，开口大小能够满足光纤穿过即可。
步骤3：将制成的橡胶块穿过光纤，待穿到指定位置后于橡胶开口处进行环氧树脂胶的填充，使环氧树脂胶充满缝隙，之后进行下一块橡胶的穿接，步骤同上。
步骤4：待橡胶块全部穿接并填充环氧树脂胶后，在橡胶上部斜坡处用环氧树脂胶粘贴上金属斜板。
步骤5:将制好的金属滑块放置在每个对应的橡胶块上。
步骤6：将金属外壳按照图1-4所示进行拼接，拼接处采取激光焊接，完成传感器的封装。
步骤7：将光纤传感器两端伸出的光纤采用塑性胶管进行保护，如此下来，一个基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器制作完成。
步骤8：在钢梁上表面中间位置进行开槽，开槽深度应满足光纤传感器放入后水平薄不锈钢板与钢梁表面平齐，只露出滑块突出部分即可。
步骤9：在钢梁上部进行混凝土的浇筑，待浇筑完成后，将光纤一端埋入光纤匹配膏中，另一端连接光纤解调仪，即可进行结构界面相对滑移的实时监测。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于OFDR技术的用于监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤传感器包括金属外壳(1)、金属斜板(2)、金属滑块(3)、硬性橡胶(4)、单模光纤(5)、环氧树脂胶(9)；
所述的单模光纤(5)与硬性橡胶(4)采用环氧树脂胶(9)粘结。
2.根据权利要求1所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的金属外壳(1)中间部分均分为两半，每一半均可精密加工制成，如图1所示,两半可通过激光焊接拼装成一体。
3.根据权利要求2所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的金属滑块(3)上部薄板结构高度低于金属外壳(1)，便于滑动。
4.根据权利要求1或2所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的金属滑块(3)上部与混凝土相嵌的突出部分根据混凝土材料的属性和厚度进行调整。
5.根据权利要求1所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的金属斜板(2)倾斜的角度根据监测精度和空间分辨率要求进行调整。
6.根据权利要求1所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的金属滑块(3)的尺寸大小间距以及硬性橡胶(4)的厚度和硬度根据待测组合结构界面长度和敏感性要求进行调整。
7.根据权利要求1所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的钢梁(8)表面中间位置进行开槽，用于光纤传感器(6)的放置，且放置后光纤传感器金属外壳(1)上表面与钢梁(8)上表面平齐。
8.根据权利要求1或7所述的监测钢混组合结构界面滑移的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤传感器(6)置于钢梁(8)的凹槽中后采取环氧树脂胶(9)固定，且注意涂抹胶时避开金属滑块(3)部分。
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