智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件、植入系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件、植入系统及方法，本发明专利技术在塑料管材连续挤出成型的过程中采用斜向导入的方式将光纤光栅传感器长条状嵌件准确地埋植于管材外表面，从而把预先内植于长条状嵌件的温度和应变传感器内埋于管材中，确保传感器在恶劣的管道制造和使役环境下存活，实现对管道温度、应变、压力等参数的实时在线监测，将传统的塑料管材连续挤出工艺技术与光纤通信技术相结合，制造的智能化塑料管道可实现对温度、应变、压力等参数的实时在线监测，进而实现城市管网的安全预警、故障诊断和自动控制，推动“智慧城市”建设。

【技术实现步骤摘要】
智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件、植入系统及方法
本专利技术涉及一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件、植入系统及方法。
技术介绍
随着我国城市化进程加速，城市地下管线建设发展异常迅猛，管线已成为城市基础设施的重要组成部分，是城市的“血管”和“神经”。伴随地下管道需求量的日益增加，我国城市也正面临着各种地下管网问题的挑战：城市内涝、道路地面塌陷、燃烧爆炸、饮水污染等一系列问题，因此城市管道的智能化建设刻不容缓。传感器是实现装备设施智能化的关键技术手段之一。光纤光栅是一种对应变和温度等外部环境非常敏感的传感元件，通过光纤光栅串可实现单根光纤的分布式多点测量。此外，光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，在航空航天、大型土木工程结构的健康监测和智能控制等方面应用广泛。要实现城市地下管道温度、应变、压力等关键参数的实时监测、智能数据分析，需要集成地下管网系统与光纤光栅传感系统的独特优势，从而形成智能管道安全监测系统，以实现城市管网的安全预警、故障诊断和自动控制。目前，光纤光栅传感器的使用方式主要有表贴和内植两种。若将光纤光栅传感器表贴于管道的内表面，则管道内流体的冲刷腐蚀很容易使传感器发生脱粘、移位甚至折断；若将光纤光栅传感器表贴于管道的外表面，管道外部恶劣的施工或使役环境则容易使传感器断裂失活，严重影响传感器的测试精度和使役寿命。因此，需要将光纤光栅传感器内植于管道中以确保其存活率和测试精度。然而在工业化连续挤出管材的过程中内植光纤光栅传感器相当困难，在连续挤出管材中植入光纤光栅传感器尚是智能化塑料管道的技术瓶颈。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件、植入系统及方法，本专利技术能够确保传感器在恶劣的管道制造和使役环境下存活，实现对管道温度、应变、压力等参数的实时在线监测。本专利技术的第一目的是提供一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器嵌件，本嵌件采用长条状结构，利用增强纤维和基体树脂的配合，保证光纤光栅传感器嵌件在植入塑料管材时不会发生熔融和拉断的情况，保证了形成智能化塑料管道的坚实基础。本专利技术的第二目的是提供一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器植入系统，本系统在塑料管材连续挤出成型的过程中采用斜向导入的方式将光纤光栅传感器长条状嵌件准确地埋植于管材外表面，从而把预先内植于长条状嵌件的温度和应变传感器内埋于管材中。本专利技术的第三目的是提供一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器植入方法，本方法具体包括光纤光栅传感器长条状嵌件的制备、塑料和光纤光栅传感器长条状嵌件的共挤出成型、内含光纤光栅传感器长条状嵌件的管材熔接等重要步骤，全面而系统的保证了智能化塑料管道成品的质量，有助于城市管路建设，构建“智慧城市”。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，包括基体树脂、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和增强纤维，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器平行并列放置，两者均具有多个光栅单元，且光栅单元位置相对应，共同组成一个兼具温度和应变监测功能的光栅对；所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器埋设于基体树脂内，基体树脂内纵向填充有增强纤维。所述增强纤维在光纤光栅传感器长条状嵌件内均匀并列分布，用以支撑起整个光纤光栅传感器长条状嵌件的骨架。进一步的，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器每根光纤可刻制多个栅区，形成分布式多点检测的光纤光栅串，栅区之间的间距可根据需要自行设定。优选的，所述相邻光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器之间的平行间距为0.25～2mm。优选的，所述光纤光栅温度传感器的栅区用毛细钢管封装，毛细钢管两端进行密封。优选的，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器的纤芯直径为5～50μm。优选的，所述光纤光栅传感器长条状嵌件为厚0.4～1.2mm、宽1～10mm的矩形条料，以方便进行植入操作。当然，本领域技术人员可以在本专利技术的工作原理的基础上将其替换为其他形状，如圆柱状等等，但是其目的均是起到使传感器嵌件兼具柔性、便于缠绕和方便植入，因此，该类改进属于本领域技术人员容易想到的常规替换，理应属于本专利技术的保护范围。所述光纤光栅传感器长条状嵌件的基体树脂材料与待植入的管道材料相同，以提高光纤光栅传感器长条状嵌件与管材的强度相容性、界面相容性和场分布相容性，最大限度地降低传感器长条状嵌件对制品性能的影响，同时减小传感器的应变传递损耗，提高测试精度。优选的，所述光纤光栅传感器长条状嵌件中增强纤维的熔点至少高出基体树脂熔点60℃，以确保增强纤维在传感器长条状嵌件与塑料管材共挤出成型时不会发生熔融，从而保证传感器长条状嵌件中的光纤光栅在整个植入过程中不会发生偏移和弯折。常用增强纤维种类较多，优选聚酯纤维、尼龙纤维和氨纶。当然，本领域技术人员可以在本专利技术的工作原理的基础上将增强纤维替换为其他材质，但是其目的均是起到使传感器嵌件兼具刚度和柔韧性，因此，该类改进属于本领域技术人员容易想到的常规替换，理应属于本专利技术的保护范围。优选的，所述光纤光栅传感器长条状嵌件中增强纤维的体积含量为30～50％，从而使传感器长条状嵌件兼具刚度和柔韧性。若增强纤维含量过低，光纤光栅传感器嵌件在拉挤成型时很容易被拉断，嵌件的成型制造困难；反之，光纤光栅传感器长条状嵌件会由于刚度太大而不易弯折，从而造成传感器长条状嵌件在斜向导入挤出模腔后贴合模腔壁面困难。所述光纤光栅传感器长条状嵌件需要用颜色标明，以便于定位传感器，同时提醒施工人员注意保护传感器长条状嵌件不被破坏。需要说明的是，传感器长条状嵌件的颜色不能和管道通用标志颜色冲突，以便于区分。一种光纤光栅传感器嵌件植入系统，包括机筒本体，所述机筒本体内部设置有容纳腔体，所述容纳腔体内套设有旋转推进部件，旋转推进部件连接传动电机，所述机筒本体一侧设置有挤出机头，所述容纳腔体与挤出机头内部的挤出模腔连通，挤出机头的前端设置有挤出口模；所述挤出模腔与挤出机头上设置的向外斜向延伸的传送通道连通，传送通道外侧设置有输送光纤光栅传感器长条状嵌件的传送件，使得其与挤出模腔内的塑料原料一起挤出成型。通过传动电机提供动力，带动旋转推进部件高速旋转搅拌容纳腔体内的塑料原料使其熔融，光纤光栅传感器长条状嵌件在传送件的导向作用下，经由传送通道被斜向传送至挤出机头内部，贴近挤出模腔表面并与熔融的塑料原料一起通过挤出口模，经冷却定型后得到智能化塑料管材。进一步的，所述机筒本体上设置有原料入口，原料入口与容纳腔体连通。优选的，所述旋转推进部件为螺杆。优选的，所述传送件包括多对辊子，所述辊子成对设置于传送通道前端，依次布设，至少有一对辊子靠近挤出机头，用以调整、定位传感器长条状嵌件的导入方向和角度，引导传感器长条状嵌件向前运行至传送通道。所述传送通道的截面尺寸根据光纤光栅传感器长条状嵌件的截面尺寸设定，其宽度比传感器长条状嵌件的宽度大1～2mm，其高度比传感器长条状嵌件的厚度大0.5～1mm，从而确保传感器长条状嵌件可以顺利通过传送通道而不会发生扭转。优选的，所述传送通道与挤出机头轴线的夹角应小于60°，避免光纤光栅传感器长条状嵌件在斜向导入挤出模腔后贴合模腔壁面时因过度弯折而断裂。进一步的，光纤光栅传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：包括基体树脂、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和增强纤维，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器平行并列放置，两者均具有多个光栅单元，且光栅单元位置相对应，共同组成一个兼具温度和应变监测功能的光栅对；所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器埋设于基体树脂内，同时基体树脂内填充有增强纤维，所述增强纤维在光纤光栅传感器长条状嵌件内均匀并列分布，用以支撑起整个光纤光栅传感器长条状嵌件的骨架。

【技术特征摘要】
1.一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：包括基体树脂、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和增强纤维，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器平行并列放置，两者均具有多个光栅单元，且光栅单元位置相对应，共同组成一个兼具温度和应变监测功能的光栅对；所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器埋设于基体树脂内，同时基体树脂内填充有增强纤维，所述增强纤维在光纤光栅传感器长条状嵌件内均匀并列分布，用以支撑起整个光纤光栅传感器长条状嵌件的骨架。2.如权利要求1所述的一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器每根光纤可刻制多个栅区，形成分布式多点检测的光纤光栅串，栅区之间的间距可根据需要自行设定。3.如权利要求1或2所述的一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：所述光纤光栅温度传感器的光纤光栅的栅区用毛细钢管封装，毛细钢管两端进行密封。4.如权利要求1所述的一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：光纤光栅传感器长条状嵌件的基体树脂材料与待植入的管道材料相同。5.如权利要求1所述的一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：所述光纤光栅传感器长条状嵌件中增强纤维的熔点至少高出基体树脂熔点60℃。6.如权利要求1所述的一种智能化塑料管道的光纤光栅传感器长条状嵌件，其特征是：所述光纤光栅传感器长条状嵌件中增强纤维的体积含量为30～50％。7.一种光纤光栅传感器长条状嵌件植入系统，其特征是：包括机筒本体，所述机筒本体内部设置有容纳腔体，所述容纳腔体内套设有旋转推进部件，旋转推进部件连接传动电机，所述机筒本体一侧设置有挤出机头，所述容纳腔体与挤出机头内部的挤出模腔连通，挤出机头的前端设置有挤出口模；所述挤出模腔与挤出机头上设置的向外斜向延伸的传送通道连通，传送通道外侧设置有输送光纤光栅传感器长条状嵌件的传送件，使得其与挤出模腔内的塑料原料一起挤出成型。8.如权利要求7所述的一种光纤光栅传感器长条状嵌件植入系统，其特征是：所述机筒本体上设置有原料入口，原料入口与容纳腔体连通。9.如权利要求7所述的一种光纤光栅传感器长条状嵌件植入系统，其特征是...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾玉玺，高琳琳，万国顺，叶慧，张雷达，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37