本發(fā)明涉及光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快，在不斷完善城市及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)公共設(shè)施建設(shè)、房屋建設(shè)等的過程中，各類管道、涵洞及隧道等曲面工程構(gòu)件越來越常見。這些曲面工程結(jié)構(gòu)作為大型土木工程的關(guān)鍵部位，其受力情況十分復(fù)雜。且它們的受力情況直接關(guān)系著工程建筑的安全，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力應(yīng)變顯得尤為重要。

由于裸光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因此，需要將光纖光柵用鋼片、合金套管等機(jī)械強(qiáng)度高的材料進(jìn)行封裝保護(hù)后才能投入使用。受封裝材料的限制，光纖光柵傳感器的外觀通常為直線型，僅能用于測(cè)量如大型拱橋、孤形梁等半徑大曲率小的孤形結(jié)構(gòu)的切向應(yīng)力應(yīng)變，而對(duì)于如排水管道、地鐵隧道等半徑小曲率大的工程構(gòu)件，由于被測(cè)構(gòu)件與光纖光柵傳感器形狀不同，受同等外力作用產(chǎn)生的應(yīng)變亦不同，這樣就極大地影響了測(cè)量的精準(zhǔn)度。將多個(gè)電阻應(yīng)變片沿環(huán)向粘貼可用于檢測(cè)環(huán)形構(gòu)件的受力情況，但是這種以電信號(hào)為傳導(dǎo)方式的技術(shù)抗外界電磁干擾能力差，且應(yīng)變片長期暴露于各類復(fù)雜工程環(huán)境中，使用壽命十分有限。

綜上，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)弧形曲面構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)定，因此，本發(fā)明基于現(xiàn)有的光纖光柵光學(xué)傳感元件及上述背景技術(shù)的不足之處，意在提供一種能夠測(cè)量弧形曲面構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的光纖光柵傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于具有弧形曲面構(gòu)建筑設(shè)施的全方位安全監(jiān)控，提高建筑設(shè)施的后期監(jiān)測(cè)力度和安全系數(shù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，包括光纖光柵和包覆在外的保護(hù)材料，所述光纖光柵傳感器呈弧狀。

進(jìn)一步的，制備所述保護(hù)材料包括以下原料：不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、固化劑和促進(jìn)劑。

進(jìn)一步的，所述石英砂的粒徑為75μm以下，所述玄武巖纖維的長度為5～7mm、直徑為14～18um。

進(jìn)一步的，各原料重量份為：不飽和聚酯樹脂100份、石英砂20～40份、固化劑1～2.5份、促進(jìn)劑0.5～1.25份；玄武巖纖維體積摻量為0.2～0.8％。

進(jìn)一步的，所述不飽和聚酯樹脂替換為環(huán)氧樹脂；各原料重量份為：環(huán)氧樹脂100份、石英砂30份、固化劑80份、促進(jìn)劑1份；玄武巖纖維體積摻量為0.6％。

進(jìn)一步的，所述玄武巖纖維替換為碳纖維。

進(jìn)一步的，所述的測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，采用注塑成型制成，具體包括以下步驟：

s1、將不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、促進(jìn)劑加入攪拌機(jī)中常溫?cái)嚢?5～45min，制成膠液；

s2、在膠液中加入固化劑，繼續(xù)攪拌5～8min，得到均勻的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直徑為10～20mm、長度為10～20cm可彎曲圓管型外模以及與待測(cè)構(gòu)件形狀一致的預(yù)制內(nèi)模；將外模彎曲成待測(cè)構(gòu)件的弧形形狀，并固定于光滑平面上；將光纖光柵預(yù)浸濕一層注塑液，粘貼于內(nèi)模一側(cè)，完成固化后，緊密貼合外模放置其內(nèi)，封閉模具兩端，并留出注塑口，用注射槍緩慢勻速地將注塑液從注塑口注入模具內(nèi)，即完成注塑；

s4、封閉注射口，將完成注塑的樣品于常溫固化25～35min，后脫去外模，即得到與待測(cè)構(gòu)件弧形形狀相同的光纖光柵傳感器。

進(jìn)一步的，所述外模的直徑為16mm，長度為15cm。

本發(fā)明的光纖光柵傳感器可應(yīng)用于弧形大型混凝土構(gòu)件變形的測(cè)量。

本發(fā)明還提供一種弧形構(gòu)件變形的測(cè)量方法，使用本發(fā)明所述的光纖光柵傳感器，其形狀與待測(cè)構(gòu)件一致，將所述光纖光柵傳感器埋設(shè)于待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部，當(dāng)待測(cè)物體受力產(chǎn)生形變時(shí)，與之緊密貼合的光纖光柵傳感器也相應(yīng)產(chǎn)生形變，導(dǎo)致輸出信號(hào)變動(dòng)，即對(duì)待測(cè)構(gòu)件的變形進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)物體的應(yīng)力應(yīng)變。

本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明提供了一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器及其測(cè)量方法。本發(fā)明使用可塑性樹脂基復(fù)合材料作為光纖光柵傳感器保護(hù)材料，采用注塑成型，制得的光纖光柵傳感器與弧形待測(cè)構(gòu)件的形狀一致。將傳感器埋入待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部，當(dāng)待測(cè)物體受力產(chǎn)生形變時(shí)，與之緊密貼合的光纖光柵傳感器也產(chǎn)生相同的形變，保證了測(cè)量的精準(zhǔn)度。同時(shí)，可根據(jù)待測(cè)構(gòu)件的曲率調(diào)整成型模具形狀，制成的傳感器不僅能測(cè)量大型拱橋、孤形梁等半徑大曲率小的孤形結(jié)構(gòu)的切向應(yīng)力應(yīng)變，也能測(cè)量對(duì)于如排水管道、地鐵隧道等半徑小曲率大的工程構(gòu)件。本發(fā)明對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)具有弧形曲面結(jié)構(gòu)建筑設(shè)施的全方位安全監(jiān)控，提高建筑設(shè)施的后期監(jiān)測(cè)力度和安全系數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而且本發(fā)明的傳感器具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于不同的工程環(huán)境，使用壽命長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的所述光纖光柵傳感器在曲面構(gòu)件中的示意圖；

圖中：1、保護(hù)材料，2、光纖光柵，3、光纖光柵傳感器，4、曲面構(gòu)件。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，包括光纖光柵2和包覆在外的保護(hù)材料1，所述光纖光柵傳感器3呈弧狀，所述保護(hù)材料1表面上布設(shè)有凹槽花紋；制備所述保護(hù)材料包括以下原料：不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、固化劑和促進(jìn)劑；各原料重量份為：不飽和聚酯樹脂100份、石英砂20份、固化劑1份、促進(jìn)劑0.5份；玄武巖纖維體積為不飽和聚酯樹脂體積的0.2％；所述石英砂的粒徑為75μm；所述玄武巖纖維的長度為5mm、直徑為14um。

實(shí)施例2

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，包括光纖光柵2和包覆在外的保護(hù)材料1，所述光纖光柵傳感器3呈弧狀，所述保護(hù)材料1表面上布設(shè)有凹槽花紋；制備所述保護(hù)材料包括以下原料：不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、固化劑和促進(jìn)劑；各原料重量份為：不飽和聚酯樹脂100份、石英砂40份、固化劑2.5份、促進(jìn)劑1.25份；玄武巖纖維體積為不飽和聚酯樹脂體積的0.6％；所述石英砂的粒徑為60μm；所述玄武巖纖維的長度為7mm、直徑為18um。

實(shí)施例3

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，包括光纖光柵2和包覆在外的保護(hù)材料1，所述光纖光柵傳感器3呈弧狀，所述保護(hù)材料1表面上布設(shè)有凹槽花紋；制備所述保護(hù)材料包括以下原料：不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、固化劑和促進(jìn)劑；各原料重量份為：不飽和聚酯樹脂100份、石英砂30份、固化劑2份、促進(jìn)劑1份；玄武巖纖維體積為不飽和聚酯樹脂體積的0.6％；所述石英砂的粒徑為50μm；所述玄武巖纖維的長度為6mm、直徑為16um。

上述實(shí)施例1～3中任一實(shí)施例中的光纖光柵傳感器的制備方法包括以下步驟：

s1、將不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、促進(jìn)劑加入攪拌機(jī)中常溫?cái)嚢?0min，制成膠液；

s2、在膠液中加入固化劑，繼續(xù)攪拌5min，得到均勻的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直徑為15mm、長度為16cm的可彎曲圓管型外模及與待測(cè)構(gòu)件形狀一致的預(yù)制內(nèi)模。將外模彎曲成待測(cè)構(gòu)件的弧形形狀，并固定于光滑平面上；將光纖光柵預(yù)浸濕一層注塑液，粘貼于內(nèi)模一側(cè)，完成固化后，緊密貼合外模放置其內(nèi)，封閉模具兩端，并留出注塑口，用注射槍緩慢勻速地將注塑液從注塑口注入模具內(nèi)，即完成注塑；

s4、封閉注射口，將完成注塑的樣品于常溫固化30min，后脫去外模，即得到與待測(cè)構(gòu)件弧形形狀相匹配的光纖光柵傳感器。

實(shí)施例4

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，與實(shí)施例3區(qū)別在于，本實(shí)施例中的光纖光柵傳感器的制備方法如下：

s1、將不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、促進(jìn)劑加入攪拌機(jī)中常溫?cái)嚢?5min，制成膠液；

s2、在膠液中加入固化劑，繼續(xù)攪拌5min，得到均勻的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直徑為10mm、長度為10cm的可彎曲圓管型外模及與待測(cè)構(gòu)件形狀一致的預(yù)制內(nèi)模。將外模彎曲成待測(cè)構(gòu)件的弧形形狀，并固定于光滑平面上；將光纖光柵預(yù)浸濕一層注塑液，粘貼于內(nèi)模一側(cè)，完成固化后，緊密貼合外模放置其內(nèi)，封閉模具兩端，并留出注塑口，用注射槍緩慢勻速地將注塑液從注塑口注入模具內(nèi)，即完成注塑；

s4、封閉注射口，將完成注塑的樣品于常溫固化25min，后脫去外模，即得到與待測(cè)構(gòu)件弧形形狀相匹配的光纖光柵傳感器。

實(shí)施例5

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，與實(shí)施例3區(qū)別在于，本實(shí)施例中的光纖光柵傳感器的制備方法如下：

s1、將不飽和聚酯樹脂、石英砂、玄武巖纖維、促進(jìn)劑加入攪拌機(jī)中常溫?cái)嚢?5min，制成膠液；

s2、在膠液中加入固化劑，繼續(xù)攪拌8min，得到均勻的注塑液，封存；

s3、使用模具包括直徑為20mm、長度為20cm的可彎曲圓管型外模及與待測(cè)構(gòu)件形狀一致的預(yù)制內(nèi)模。將外模彎曲成待測(cè)構(gòu)件的弧形形狀，并固定于光滑平面上；將光纖光柵預(yù)浸濕一層注塑液，粘貼于內(nèi)模一側(cè)，完成固化后，緊密貼合外模放置其內(nèi)，封閉模具兩端，并留出注塑口，用注射槍緩慢勻速地將注塑液從注塑口注入模具內(nèi)，即完成注塑；

s4、封閉注射口，將完成注塑的樣品于常溫固化35min，后脫去外模，即得到與待測(cè)構(gòu)件弧形形狀相匹配的光纖光柵傳感器。

實(shí)施例6

本實(shí)施例與實(shí)施例3區(qū)別在于，所述玄武巖纖維替換為碳纖維。

實(shí)施例1～6使用的固化劑和促進(jìn)劑為市售固化劑和促進(jìn)劑，所述固化劑可選用白水，促進(jìn)劑可選用藍(lán)水。

實(shí)施例7

一種測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器，制備所述光纖光柵傳感器的保護(hù)材料包括以下原料：環(huán)氧樹脂、石英砂、玄武巖纖維、固化劑和促進(jìn)劑；各原料重量份為：環(huán)氧樹脂100份、石英砂30份、固化劑80份、促進(jìn)劑1份；玄武巖纖維體積摻量為0.6％；所述石英砂的粒徑為50μm；所述玄武巖纖維的長度為6mm、直徑為16um；固化劑可選用甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑可選用dmp-30。

對(duì)比例1

對(duì)比例1與實(shí)施例3的區(qū)別在于，所述光纖光柵傳感器呈直狀。

實(shí)施例1～7制成光纖光柵傳感器的封裝保護(hù)層的性能測(cè)試結(jié)果如下表：

由上表可知，實(shí)施例1～7制得的注塑液粘度適度，流動(dòng)性相對(duì)較佳，注塑液易于均勻注塑，制成的保護(hù)材料具有高的彈性模量和拉伸強(qiáng)度。相對(duì)于實(shí)施例1～2，實(shí)施例3的彈性模量較高、拉伸強(qiáng)度較強(qiáng)，表明實(shí)施例3對(duì)應(yīng)的組分配比為優(yōu)選量；對(duì)比實(shí)施例3～5，隨著攪拌時(shí)間和固化時(shí)間的延長，彈性模量和拉伸強(qiáng)度有所提高，但實(shí)施例3與實(shí)施例5的彈性模量和拉伸強(qiáng)度相差不大，結(jié)合資源節(jié)省的角度，實(shí)施例3的工藝參數(shù)為優(yōu)選參數(shù)。實(shí)施例6將玄武巖纖維替換為碳纖維，制成的保護(hù)材料彈性模量也較高、拉伸強(qiáng)度也較強(qiáng)；實(shí)施例7中基體材料使用環(huán)氧樹脂，注塑液流程有所下降，粘度增大，但制成的保護(hù)材料具有較高的彈性模量和拉伸強(qiáng)度。

上述測(cè)量弧形構(gòu)件變形的光纖光柵傳感器應(yīng)用于弧形大型混凝土構(gòu)件變形的測(cè)量。

一種弧形構(gòu)件變形的測(cè)量方法，選用上述制得的光纖光柵傳感器，所述光纖光柵傳感器的成型彎曲程度與待測(cè)構(gòu)件的弧形相匹配，將所述光纖光柵傳感器埋設(shè)于待測(cè)構(gòu)件內(nèi)部，當(dāng)待測(cè)物體受力產(chǎn)生形變時(shí)，與之緊密貼合的光纖光柵傳感器也相應(yīng)產(chǎn)生形變，導(dǎo)致輸出信號(hào)變動(dòng)，即對(duì)待測(cè)構(gòu)件的變形進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)物體的應(yīng)力應(yīng)變。

實(shí)施例1～7與對(duì)比例1制成的光纖光柵傳感器對(duì)弧形待測(cè)構(gòu)件變形的測(cè)量結(jié)果如下表：

由上表可知，對(duì)比例1制成的傳感器，應(yīng)變傳導(dǎo)效率差、傳導(dǎo)誤差大。而實(shí)施例1～7制成的傳感器，應(yīng)變傳導(dǎo)效率優(yōu)良、傳導(dǎo)誤差小。而且，實(shí)施例3相較于實(shí)施例1～2或?qū)嵤├?～5，實(shí)施例3制成的傳感器，應(yīng)變傳導(dǎo)效率更加優(yōu)良、傳導(dǎo)誤差更小。實(shí)施例6將玄武巖纖維替換為碳纖維，制成的傳感器傳導(dǎo)效率也較高；實(shí)施例7中基體材料使用環(huán)氧樹脂，制成的傳感器應(yīng)變傳導(dǎo)效率較優(yōu)良、傳導(dǎo)誤差較小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。