[发明专利]混凝土材料封装的混合量程FBG应变、裂纹传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用光纤光栅来监测混凝土中应变的传感器，具体说就是通过基于光纤光栅(FBG)的应变传感技术，利用分别经过预张拉的光纤光栅及与微弹簧固结的弹簧光栅光纤实现对混凝土内部小应变、大应变乃至裂纹的测量。传感器使用混凝土对光栅光纤进行封装，实现对光纤光栅的保护，更重要的是消除了封装结构弹性模量不匹配带来的测量误差。

背景技术

光纤光栅(FBG)是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术，在最近的10多年时间里，已成为传感器领域发展最快的技术，被认为是二十世纪末测试领域最重要的发明之一。

混凝土埋入式光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅技术的新型应变传感器，被广泛应用于工程监测领域。使用此类传感器以代替传统应变片对大型桥梁、大坝、公路、隧道、高层建筑等混凝土结构关键部位应力状态实施监测。但是，现有的这类用于测量混凝土内部应变的光纤光栅传感器主要存在以下两种问题：

(1)封装材料所导致的误差：由于裸光纤光栅过于纤细，埋入混凝土结构时极易在混凝土施工过程中损坏，因此必须对光纤光栅进行封装，以保护其不受外界侵害。但是现有的传感器多采用复合材料、钢管、钢片等非混凝土材料作为封装材料，由于此类材料的弹性模量与待测环境中的混凝土弹性模量不一致，所以此类传感器会使其附近区域的应力场和应变场重新分布，导致其测得的应变结果与真实值存在较大差异。

(2)测量应变范围的限制：由于光纤光栅本身拉伸长度限制，现有光纤光栅应变传感器只能监测混凝土结构中的微小应变。但对于路面等受外界荷载较大的混凝土结构，内部往往产生很大的应变，甚至产生裂纹，现有传感器将不能满足监测需求。

发明内容

本发明提供了一种能够精确监测混凝土中小应变、大应变乃至裂纹的光纤光栅传感器。该传感器内部有一根经过张拉的与微弹簧固结的弹簧光纤光栅以及一根经过张拉的纯光纤光栅，当混凝土内应变较小时，经过张拉的纯光纤光栅可对应变进行精度较高的测量；当混凝土内部应变较大，超出光纤光栅拉伸范围时，纯光纤光栅退出工作，与微弹簧固结的弹簧光纤光栅开始对大应变，乃至裂纹进行测量。且光栅均在大标距下工作，提高了工作区域的有效长度。同时增加的温度传感器对整个传感器进行温度补偿，进一步减小误差。另外，由于采用混凝土对光栅光纤进行封装，克服了封装材料弹模与待测混凝土不一致对测量结果的影响，精度比现有用其他材料封装的光纤光栅传感器高，且成本较低。本传感器采用与被测混凝土结构相同的混凝土材料进行封装，利用相同的材料，克服了不同材料不同的弹性模量对监测结果的影响：传感器中光栅均在大标距下工作，有效工作范围增加，故能够更加真实客观的反映材料应变，克服偶然因素对监测可能造成的比较大的影响；传感器内部埋设了弹簧光栅，实现了对大应变、大裂纹乃至大裂纹的有效监测；传感器内部纯光纤光栅、连接弹簧的弹簧光纤光栅、温度传感光栅的联合应用，既实现了高低精度互补工作，对大小应变进行有效监测，又实现了温度补偿，解决了测量时温度对测量结果的影响。

本发明的技术方案如下：

一种混凝土材料封装的混合量程FBG应变、裂纹传感器，该传感器包括连接弹簧的弹簧光纤光栅、纯光纤光栅、预制的混凝土封装结构、两个贯通槽、感温槽、温度传感器和铠装光缆；预制的混凝土封装结构带有两个贯通槽和一个感温槽；处于张拉状态的连接弹簧的弹簧光纤光栅以及处于张拉状态的纯光纤光栅分别置于两个贯通槽中。连接弹簧的弹簧光纤光栅的两端以及另一根纯光纤光栅的两端分别与各自所处的贯通槽两端固结以保持预张拉力；温度传感器置于感温槽中，弹簧光纤光栅、纯光纤光栅及温度传感器用铠装光缆连接引出。应用经过一定预张拉的纯光纤光栅可以精确监测拉、压应变，其应变量程小。应用经过一定预张拉的连接弹簧的弹簧光纤光栅可以较为准确的测量拉、压应变与准确测量传感标距内产生的裂纹，其应变与裂纹量程大。应用该传感器可以监测一般钢筋混凝土拉、压破坏的全过程，这是同类应变传感器无法实现的。

本发明的有益效果是工艺简单，适于产业化生产，成本低廉；能够长时间监测混凝土内的大应变，乃至裂纹及小应变；传感器所采用的封装材料为混凝土，测量精确度高。

附图说明

图1为预制的混凝土封装结构透视图。

图2为应变传感器透视图。

图3为应变传感器A-A剖面图。

图4为应变传感器B-B剖面图。

图中：1弹簧光纤光栅；2纯光纤光栅；3温度传感器；4铠装光缆；

      5预制的混凝土封装结构；6贯通槽；7感温槽。

具体实施方式