CN1208653C - 纤维增强塑料－光纤光栅复合传感筋 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋。它包括纤维增强塑料筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤光栅，将光纤光栅与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体，纤维增强塑料筋表面为喷砂制成的麻面或缠绕树脂。具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点。可以根据工程实际需要，切割成任意长度，使用非常方便，特别适于产业化生产。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种结构智能监测传感元件。具体地说是一种具有土木工程结构受力与监测双功能的纤维增强塑料-光纤光栅传感筋。
(二)背景技术
1978年，加拿大的Hill发明掺锗光纤中光致折射率变化的现象使芯内光栅得以问世。1989年，美国的Meltz发明掺锗光纤光栅紫外侧写入技术，人们利用这一技术可以方便地制作各种常数的光纤光栅，使得成本大大降低，为其广泛应用奠定了基础。由于光纤光栅具有波长选择性、与光纤***兼容、***损耗低、结构简单、体积小、成本低廉等优点，光纤光栅在通讯与传感领域均有着广泛的应用前景。光纤光栅用于传感的主要优点体现在：能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；不受潮湿环境影响；耐久性好，具有抵抗包括高温(小于600℃)在内的各种恶劣环境及化学侵蚀的能力，具有承受振动和冲击的能力；质量轻、体积小、对结构影响小、易于布置；既可以实现点测量，也可以实现分布式测量；绝对测量；节省线路，只用一根线就可以传送结构状态信号；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；频带宽，信噪比高等。但是，由于裸光纤光栅特别纤细，外径约为125微米左右，其主要成分是SiO2，因此特别脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接将其作为传感元件在工程实际中遇到了布设工艺难题，根本不能适应混凝土结构粗放式生产方式与恶劣的服役环境，严重地制约了光纤光栅在土木工程中的应用。
纤维增强塑料是以连续纤维组成的复合材料。这种连续纤维首先浸渍在用于粘合纤维的聚合物中，然后加工成所需要的形状。根据纤维种类的不同，纤维增强塑料可分为碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维增强塑料及混杂增强塑料等。纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性。其中，纤维增强塑料棒材可做成普通钢筋的形状，被认为是钢筋的一种可能的替代材料。碳纤维原丝纤维方向的抗拉强度可以达到普通钢筋的十几倍，而高弹模碳纤维的弹性模量可以达钢材的2～3倍，并具有较高的防磁和防辐射性能，曾在军工生产中用于隐行飞机、防磁和防辐射工程。但是，纤维增强塑料作为一种新型的有发展潜力的建筑材料与技术也存在延性差的缺点，并不是要取代传统的建筑材料-钢材与混凝土，而是作为传统建筑的一个重要补充，适于服役环境、耐久性、抗疲劳等方面要求高的重要工程结构，如地下结构、海洋工程，水利工程等。目前在美国、日本、加拿大等发达国家已经成立了纤维增强塑料研究会，初步制定了结构设计的规范，并成功地用于了实际工程。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便、既可以替代或部分替代钢筋作为受力构件，也具备智能传感特性的纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋。本发明的目的是这样实现的：它包括纤维增强塑料筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤光栅，将光纤光栅与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体，纤维增强塑料筋表面为喷砂制成的麻面或缠绕树脂。本发明还可以包括这样一些结构特征：1、在一段传感筋的尾端露出一段用于连接补偿光纤光栅的光纤。2、光纤光栅位于纤维增强塑料筋的中间。3、光纤光栅上的光栅为具有一定长度间隔的光栅串。本发明产品的光纤光栅布置于纤维增强塑料筋中，是通过纤维增强塑料加工成形过程中将光纤光栅跟纤维束一起进入拉拔模具，经过热处理工艺有机地构成一体的。由于光纤光栅与纤维增强塑料固结良好，保证了光纤光栅与纤维增强塑料的协同变形，从而光纤光栅感应的应变就是纤维增强塑料的变形。考虑土木工程结构长期健康监测时温度的影响与准分布测量的需要，在尾端设置一段露出的光纤，以便焊接温度补偿光纤光栅或串联光纤光栅传感元件。补偿光纤光栅置于另一毛细金属管中，保证其不受外力的影响。这种复合传感筋兼具纤维增强塑料与光纤光栅的优点，如轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、传感精度高(可达1～2με)、抗电磁干扰、准分布式传感、绝对测量、抗潮防水、稳定性与耐久性好等优点。同时，这种复合传感筋弥补了纤维增强塑料与光纤光栅各自的一些缺点，如光纤光栅克服了纤维增强塑料筋的自感知非线性问题；而纤维增强塑料是光纤光栅的一种优良封装保护，克服了裸光纤光栅难以适应钢筋混凝土结构粗放式施工的要求，大大提高了光纤光栅的耐久性。这样，纤维增强塑料-光纤光栅传感筋就把纤维增强塑料的优良力学特性、防锈耐久和抗电磁干扰特性与光纤光栅的优秀传感特性形成有机结合，极大地满足了土木工程结构对力学性能与结构智能健康监测的需要。此外，纤维增强塑料-光纤光栅传感筋可以根据工程实际需要，切割成任意长度，使用非常方便，特别适于产业化生产。
(四)附图说明
图1和2是本发明的实施方案的结构示意图。
(五)具体实施方案
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1，纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋的结构组成包括纤维增强塑料筋1，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤光栅2。本发明的产品可以采用这样的方法来制作：将光纤光栅与泡过环氧树脂的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体，同时在出炉时标注好光纤光栅的具***置。考虑光纤光栅的封装保护，光纤光栅作为中间束送入，成形后光纤光栅位于纤维增强塑料筋的中间。为了更好地与混凝土粘合，纤维增强塑料筋表面进行喷砂处理，使纤维增强塑料筋的表面形成麻面，或者是在纤维增强塑料筋外缠绕树脂。为了充分发挥光纤光栅的准分布式传感能力，送入的光纤光栅事先已经熔接成具有一定长度间隔的光栅串。工程应用或试验需要时，将加工成形的纤维增强塑料-光纤光栅传感筋切割成任意所需的长度，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上即可。
结合图2，考虑结构长期健康监测的温度补偿或分布式传感问题，每一段传感筋的尾端露出一段光纤3，可以连接补偿光纤光栅或其他光纤光栅传感器。
Claims (5)
1、一种纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋，其特征是：它包括纤维增强塑料筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤光栅，将光纤光栅与泡过环氧树脂的纤维材料一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体，纤维增强塑料筋表面为喷砂制成的麻面或缠绕树脂。
2、根据权利要求1所述的纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋，其特征是：在一段传感筋的尾端露出一段用于连接补偿光纤光栅的光纤。
3、根据权利要求1或2所述的纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋，其特征是：光纤光栅位于纤维增强塑料筋的中间。
4、根据权利要求1或2所述的纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋，其特征是：光纤光栅为熔接的具有一定长度间隔的光纤串。
5、根据权利要求3所述的纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋，其特征是：光纤光栅上的光栅为具有一定长度间隔的光栅串。
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