[发明专利]一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，尤其涉及一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，属于土木工程中的结构健康监测领域。

背景技术

目前，随着预应力结构在建筑结构中的不断应用，对各种高强钢绞线施工服役期间应力监测的研究也越来越深入。由于钢绞线的抗拉强度相对普通钢筋高很多，所以钢绞线在工作时的应力值非常大。在张拉过程中往往采用超张拉的方法来弥补钢绞线后期的应力损失。这就导致了钢绞线在张拉时的应变大于裸光纤光栅的极限断裂应变，所以，直接将裸光纤光栅粘贴在钢绞线的表面无法监测钢绞线的应力。

传统的索力监测技术主要有：磁通量法、频率法和基于测力环、钢弦、应变片等的检测方法，这些技术在斜拉索、体外索、吊索等索力的检测中得到了广泛的应用，由于技术特点的限制，这类技术还不能应用于体内预应力钢索的长期在线监测。相对于传统的监测技术光纤光栅具有抗电磁干扰、体积小、长期稳定性好等优点，这些优点使光纤光栅具有了对预应力钢绞线进行长期实时监测的可行性。目前很多学者利用光纤光栅传感技术在大量程应变测量方面已经取得了一定成果：天津大学刘铁根、江俊峰等人采用应变零点漂移的方法在预应力钢绞线张拉至5000微应变后再粘贴裸光纤光栅。这种方法克服了裸光纤光栅量程不足的缺点，但这种方法对制作工艺要求非常严格，受到现场工作条件的限制很难实现现场安装。金秀梅，杜彦良将裸光纤光栅呈螺旋状缠绕在预应力钢筋的表面，这种方法克服了裸光纤光栅量程小的缺陷，实现了对预应力筋的长期大应变测量，但这种测量手段对待测构件的截面形式要求比较苛刻，适合于表面光滑的预应力钢筋，无法实现对带肋钢筋以及钢绞线这类钢筋的应变测量。哈尔滨工业大学邓年春、欧进萍等人用FRP筋封装光纤光栅来实现对大应变预应力筋的监测，在制备FRP筋过程中, 在筋的中间位置且沿长度方向埋入光纤光栅, 制成FRP-OFBG筋，实现了对裸光纤光栅的有效保护。这种预应力筋将钢绞线的中丝替换成了材质不同的FRP-OFBG筋，由于FRP筋和钢绞丝的极限抗拉强度不同、弹性模量不同，这就导致在大应变应力状态下钢绞丝和FRP筋出现应力重分布的现象，在一定程度上降低了整条钢绞线的极限承载力。何俊、周智等研制了基片式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器，较大的提高了光纤光栅的应变测量量程。这类封装形式的光纤光栅传感器仍然无法实现对预应力钢绞线的应变监测。天津大学沈小燕、林玉池等提出了应用复合结构、悬臂梁结构、梯形结构及变梯形结构以实现大应变到小应变的传感转换。这种基于复合结构的光纤光栅大量程应变传感器其复合结构应变传递过于复杂，传感器性能稳定性受到诸多因素的影响。因此还是难以实现对预应力钢绞线的应变监测。由于预应力钢绞线特殊的施工安装方式，目前仍然无法将性能优越的光纤光栅传感器植入到预应力钢绞线里实现对其应变的在线实时监测。

预应力钢绞线在某些构件里呈曲线布设。针对后张拉法施工的预应力钢绞线在张拉时混凝土已经达到设计强度，钢绞线和混凝土之间没有粘结。而对缓粘结预应力钢绞线，在张拉时钢绞线和波纹套管之间的缓粘结剂未完成固化，仍然呈液体状态或是呈半液体半固体之间的可塑性状态。以上两种预应力钢绞线随着张拉过程的进行，钢绞线会发生变形伸长，同时伴随着扭转。如何保证传感器在同钢绞线一起伸长扭转的情况下不会受到外力破坏，是光纤光栅大量程应变传感器成活的关键所在。

发明内容

本发明就是针对上述问题提出来的，目的就是提供一种结构简单，易于加工制造，安装方便，大幅度提高光纤光栅大量程传感器的应变可测范围，这种光纤光栅传感器性能稳定、可靠；将这种光纤光栅传感器安装在钢绞线其中一股钢丝上，实现长期实时监测的一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器。

为了实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种监测预应力钢绞线应变的光纤光栅大量程应变传感器，包括：光纤光栅、光纤导线以及毛细钢管，其在于将所述光纤导线的光纤光栅置于内层毛细钢管中部，所述的内层毛细钢管外套装有中部设有缝隙的两段外层毛细钢管；该两段外层毛细钢管相对远离的一端均探出内层毛细钢管，但短于光纤导线，所述的两段外层毛细钢管的适配位置分别设有弧形支座。

所述的探出内层毛细钢管部分设有高强环氧树脂。

所述的探出内层毛细钢管部分探出内层毛细钢管2~10mm。

所述的弧形支座与外层毛细钢管之间还设有U形基槽，该U形基槽的形状与外层毛细钢管的形状相适配。

所述的弧形支座的形状与钢绞线的形状相适配。

所述的缝隙为0.5~1.5 mm。