本技術(shù)涉及傳感光纖，具體涉及一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋及傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超弱光纖光柵是光柵反射率低于0.1％的統(tǒng)稱(chēng)，作為光纖光柵傳感光纖傳感領(lǐng)域的新類(lèi)型，不僅繼承了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器特點(diǎn)，還具有對(duì)光信號(hào)傳輸時(shí)損耗小、機(jī)械強(qiáng)度高、復(fù)用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為傳感領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。然而，超弱光纖光柵的封裝直接影響傳感器的精度，選擇好的封裝材料及工藝是超弱光纖光柵傳感器研究的重要內(nèi)容。

2、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料封裝是將超弱光纖光柵應(yīng)變傳感器直接將光纖埋入到復(fù)合材料中，使傳感器的壽命和可靠性都得到了很大提高，成為一種非常有前景的光纖傳感器封裝形式。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、熱脹系數(shù)極小、減震性能好等優(yōu)勢(shì)，采用碳纖維與光纖復(fù)合，可以進(jìn)一步提高光纖的強(qiáng)度，降低溫度對(duì)超弱光纖光柵傳感性能的影響。此外，光纖與碳纖維具有相似的特性，在熱拉擠成型時(shí)可以順利復(fù)合，在長(zhǎng)距離線(xiàn)性傳感器制作中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3、碳纖維復(fù)合材料封裝不僅具備良好的力學(xué)及溫度特性，還具備極佳的彈性變形的恢復(fù)能力。將多根超弱光纖光柵陣列采用碳纖維封裝后，有望在形變傳感領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用效果。

4、傳統(tǒng)光纖光柵傳感器(fbg)已經(jīng)在形狀傳感領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，中國(guó)專(zhuān)利“一種光纖準(zhǔn)直耦合三芯光纖重金屬離子傳感探頭”(申請(qǐng)?zhí)枺?02210565326.3)。目前光纖形態(tài)傳感器主要采用多傳感器組合型，利用多個(gè)一維曲率傳感器在同一位置不同方位上組合構(gòu)成一個(gè)曲率大小和彎曲方向的測(cè)量點(diǎn)，更多的是采用3個(gè)曲率傳感器互成120°等邊三角形布設(shè)，傳感器在測(cè)量曲率的同時(shí)可以測(cè)量彎曲方向。然而，光纖曲率傳感器與增敏結(jié)構(gòu)的粘接存在較高的工藝難度，光纖存活率低，且人工組合粘貼的傳感器體積較大、結(jié)構(gòu)受環(huán)境影響劇烈等問(wèn)題，形狀反演的精度不佳。超弱光柵具有大容量和長(zhǎng)距離工作的特點(diǎn)，引入新的封裝技術(shù)，將多芯超弱光纖光柵陣列與碳纖維進(jìn)行復(fù)核，構(gòu)建彈性良好的形狀感知傳感器，應(yīng)用于工程的應(yīng)變及形狀感知，具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有超弱光纖光柵陣列封裝工藝復(fù)雜、溫度應(yīng)變交叉影響、形變感測(cè)功能差等問(wèn)題。本實(shí)用新型提供一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，通過(guò)特殊光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及高溫拉擠成型制作出本實(shí)用新型智能碳纖維加強(qiáng)筋，能有效感測(cè)大型結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)變場(chǎng)分布及空間形變，與超弱光纖光柵解調(diào)儀組合構(gòu)建應(yīng)變及形變感測(cè)系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高，該加強(qiáng)筋將碳纖維優(yōu)異的性能集于一體，具有強(qiáng)度高、重復(fù)性好、易于與大型結(jié)構(gòu)融合等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)變及形變感測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為：

3、一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，包括:多根刻寫(xiě)有超弱光纖光柵傳感單元的耐溫光纖，多根耐溫光纖圍繞該加強(qiáng)筋的中心軸線(xiàn)軸向等間距分布；多根耐溫光纖由碳纖維體包裹成型；耐溫光纖端部設(shè)有部分引出的套管，套管一部分耐溫光纖一起引出，套管另一部分埋設(shè)在加強(qiáng)筋內(nèi)部并固化成型。耐溫光纖設(shè)有耐高溫外涂覆層。

4、多根耐溫光纖與多束預(yù)浸酚醛樹(shù)脂后的碳纖維通過(guò)熱拉擠成型。

5、耐溫光纖端部設(shè)有部分引出的套管，套管一部分耐溫光纖一起引出，套管另一部分埋設(shè)在加強(qiáng)筋內(nèi)部并固化成型。

6、所述耐溫光纖包括纖芯，纖芯由內(nèi)之外依次包裹有包層、內(nèi)涂覆層，耐高溫外涂覆層。

7、所述耐高溫外涂覆層為改性丙烯酸酯二次紫外涂覆而成構(gòu)成的涂層，或者為有機(jī)陶瓷涂層，或者采用聚酰亞胺熱固化而成的涂層。

8、所述超弱光纖光柵傳感單元的反射率低于0.1％，采用拉絲塔工藝在線(xiàn)刻寫(xiě)制備而成。

9、所述耐溫光纖由g.657類(lèi)的光纖預(yù)制棒拉制而成。

10、多根耐溫光纖沿模具軸線(xiàn)成空間120°鋪設(shè)，與碳纖維和酚醛樹(shù)脂浸漬后的預(yù)浸料，再加溫、降溫后固化成型。

11、所述套管為不銹鋼絲壓扁而成，表面包裹耐高溫薄膜，直徑大于1mm，在加強(qiáng)筋所需長(zhǎng)度的首、尾端預(yù)制0.1m，露出0.5m以上。

12、所述耐溫光纖為3根，從3根光纖的切面看，3個(gè)纖芯呈120°夾角分布在同一圓周面上。構(gòu)成三芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋。

13、一種超弱光纖光柵傳感系統(tǒng)，包括植入到被測(cè)對(duì)象中的超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，與超弱光纖光柵分析儀連接，用于溫度、應(yīng)變、或者空間形態(tài)監(jiān)測(cè)。

14、本實(shí)用新型一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，具有如下有益效果：

15、1)應(yīng)變傳感器具有較高的強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)精度高，穩(wěn)定性好：

16、碳纖維加強(qiáng)筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度高，其強(qiáng)度為3000mpa，封裝好的傳感器具有較高的強(qiáng)度，不易損壞。由于碳纖維復(fù)合后的熱膨脹系數(shù)接近零，超弱光纖光柵不受熱膨脹的影響，應(yīng)變監(jiān)測(cè)精度高。此外，光纖材料和碳纖維筋相似，能消除了傳統(tǒng)光纖的蠕變現(xiàn)象，應(yīng)變傳遞效率高，重復(fù)性好。

17、2)彈性好，可用于空間的形狀反演：

18、超弱光纖光柵的密度高，可以在0.1m以下分辨率獲取加強(qiáng)筋上的應(yīng)變，密集的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)可以重構(gòu)加強(qiáng)筋的彎曲變形情況，可用于結(jié)構(gòu)受力或形狀的監(jiān)測(cè)。

19、通過(guò)植入多芯超弱光纖光柵，利用超弱光纖光柵應(yīng)變測(cè)量設(shè)備測(cè)得3個(gè)纖芯的應(yīng)變，通過(guò)形狀重構(gòu)算法計(jì)算即可獲得三芯光纖的曲率和彎曲方向，進(jìn)而重構(gòu)碳纖維結(jié)構(gòu)的形狀。

20、3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)，運(yùn)輸方便：

21、多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋與單芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋制作方法類(lèi)似，將特種光纖與碳纖維混合后直接熱拉擠成型即可，且可以根據(jù)復(fù)雜形狀的應(yīng)用要求進(jìn)行定制，克服了超弱光纖光柵的復(fù)合過(guò)程中的啁啾問(wèn)題。智能加強(qiáng)筋直徑較小、質(zhì)量輕，可以繞盤(pán)運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)直接錨固，無(wú)需從加強(qiáng)筋中剝離光纖，無(wú)需施加預(yù)應(yīng)力，易于安裝施工。

22、4)耐環(huán)境影響、維護(hù)要求低：

23、碳纖維具有耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異性能，可用于惡劣環(huán)境工程結(jié)構(gòu)的全壽命周期監(jiān)測(cè)。

技術(shù)特征：

1.一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于包括:多根刻寫(xiě)有超弱光纖光柵傳感單元(1)的耐溫光纖(2)，多根耐溫光纖(2)圍繞該加強(qiáng)筋的中心軸線(xiàn)軸向等間距分布；多根耐溫光纖(2)由碳纖維體包裹成型；耐溫光纖(2)端部設(shè)有部分引出的套管(3)，套管(3)一部分耐溫光纖(2)一起引出，套管(3)另一部分埋設(shè)在加強(qiáng)筋內(nèi)部并固化成型；耐溫光纖(2)設(shè)有耐高溫外涂覆層(2-4)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：多根耐溫光纖(2)與多束預(yù)浸酚醛樹(shù)脂后的碳纖維(4)通過(guò)熱拉擠成型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述耐溫光纖(2)包括纖芯(2-1)，纖芯(2-1)由內(nèi)之外依次包裹有包層(2-2)、內(nèi)涂覆層(2-3)，耐高溫外涂覆層(2-4)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述耐高溫外涂覆層(2-4)為改性丙烯酸酯二次紫外涂覆而成構(gòu)成的涂層，或者為有機(jī)陶瓷涂層，或者采用聚酰亞胺熱固化而成的涂層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述超弱光纖光柵傳感單元(1)的反射率低于0.1％。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述耐溫光纖(2)由g.657類(lèi)的光纖預(yù)制棒拉制而成。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：多根耐溫光纖(2)沿模具軸線(xiàn)成空間120°鋪設(shè)，與碳纖維(4)和酚醛樹(shù)脂浸漬后的預(yù)浸料，再加溫、降溫后固化成型。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述套管(3)為不銹鋼絲壓扁而成，表面包裹耐高溫薄膜，直徑大于1mm，在加強(qiáng)筋所需長(zhǎng)度的首、尾端預(yù)制0.1m，露出0.5m以上。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，其特征在于：所述耐溫光纖(2)為3根，從3根光纖的切面看，3個(gè)纖芯呈120°夾角分布在同一圓周面上；構(gòu)成三芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋。

10.一種超弱光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于：包括植入到被測(cè)對(duì)象中的如權(quán)利要求1～9任意一項(xiàng)所述的一種超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，該加強(qiáng)筋與超弱光纖光柵分析儀連接，用于溫度、應(yīng)變、或者空間形態(tài)監(jiān)測(cè)。

技術(shù)總結(jié)
多芯超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋及光纖光柵傳感系統(tǒng)，所述加強(qiáng)筋包括多根刻寫(xiě)有超弱光纖光柵傳感單元的耐溫光纖，多根耐溫光纖圍繞該加強(qiáng)筋的中心軸線(xiàn)軸向等間距分布；多根耐溫光纖由碳纖維體包裹成型；耐溫光纖端部設(shè)有部分引出的套管，套管一部分耐溫光纖一起引出，套管另一部分埋設(shè)在加強(qiáng)筋內(nèi)部并固化成型。多根耐溫光纖與多束預(yù)浸酚醛樹(shù)脂后的碳纖維通過(guò)熱拉擠成型。超弱光纖光柵傳感系統(tǒng)包括植入到被測(cè)對(duì)象中的超弱光纖光柵碳纖維加強(qiáng)筋，與超弱光纖光柵分析儀連接，用于溫度、應(yīng)變、或者空間形態(tài)監(jiān)測(cè)。所述加強(qiáng)筋將碳纖維優(yōu)異的性能集于一體，具有強(qiáng)度高、重復(fù)性好、易于與大型結(jié)構(gòu)融合等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：葉汝豪,羅志會(huì),劉可,蔡德所
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖北省菲索傳感科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：20240515
技術(shù)公布日：2025/1/2