适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，传感器包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。

【技术实现步骤摘要】
适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器
本技术属于光纤传感与桥梁安全监测
，特别涉及一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器。
技术介绍
随着我国西部基础设施建设投入的迅速增加，桥梁等大型基础设施建设迎来了前所未有的黄金期。钢管混凝土拱桥由于具有承载能力高、抗震性能好、施工方便、综合经济效益好等诸多优点而得到桥梁工程师的青睐。钢管混凝土结构作为一种组合构件，唯有当二者紧密黏贴时才能完整发挥两种材料的联合受力性能，体现出组合结构的优越性。一旦钢管混凝土之间会出现裂缝或脱空，二者的相互作用减弱，将导致桥梁结构的承载能力严重下降，大大降低桥梁结构抵抗自然灾害的能力。由于钢管与混凝土为两种特性不同的材料，会随着桥梁服役时间增长，受到材料老化、环境侵蚀、交通量快速增长、荷载长期效应及突发性灾害等影响，二者界面产生裂缝甚至脱空，若不能及时对其进行监测和维修，轻则影响行车安全和桥梁使用寿命，重则将引起桥梁垮塌等突发事故，造成重大的人员伤亡与经济损失。钢管内混凝土脱空、裂缝这一类质量缺陷或损坏，由于其隐蔽性和发生发展的时空随机性，其有效检测(不漏测、定量)的技术难度很高，目前主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、γ射线法、回弹法、超声脉冲法等。但这些方法有的基于人工经验，不能实现定量检测，并且均为离线检测，实时性较差，且难以进行长期监测。因此，钢管内混凝土脱空、裂缝实时监测是钢管混凝土拱桥尚未解决的关键技术难题。随着光纤传感技术的迅速发展，由于其具有体积小、响应速度快、防水防潮、良好的稳定性与耐久性等特点，为解决上述问题提供了有效的技术途径，但尚未出现采用光纤光栅传感技术实现拱桥钢管—混凝土界面裂缝、脱空的报道。
技术实现思路
本技术为了解决上述问题，提出了一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，本技术通过监测光纤光栅中心波长的变化即可实现钢管—混凝土界面产生裂缝、脱空的实时监测，具有结构简单、灵敏度高、防水防潮、易于安装的优点，具有较强的推广应用价值。为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。所述固定机构包括固定端子、支架和法兰，所述固定端子为中空结构，上端设置有法兰，法兰内部贯穿有传输光纤，所述支架设置于固定端子下端。所述活动机构包括外套管与底座，外套管活动套装与支架内部，所述底座的一端固定于混凝土内部，一端固定套装于外套管内部。所述光纤光栅、弹性元件与传输光纤的外侧设置有内套管，所述内套管一端固定于底座内部，一端连接法兰内侧。所述弹性元件为拉簧。所述支架为不锈钢桶状结构，通过螺纹固定在钢管壁上。所述外套管一端与支架滑动连接，另一端通过螺纹与底座固定连接，且其顶部沿管壁留有两个螺孔。所述底座外部为锯齿状结构，且底部中心有小孔。所述固定端子通过螺纹固定在支架上，且其顶部中央留有圆孔，其顶部与内套管管壁对齐处留有两个螺孔。所述光纤光栅为中心波长1550nm的光纤Bragg光栅，且其表面涂覆增韧有机材料。所述拉簧为螺旋结构，且两端钢丝沿拉簧的中轴线，其中一端与底座固定连接，另一端与光纤光栅固定连接。所述法兰焊接在固定端子外部，内部与内套管滑动连接，传输光纤从法兰引出。所述光纤光栅的中心波长的变化量和被测裂缝宽度之间呈线性关系。基于上述装置的安装方法，在光纤光栅表面涂覆增韧有机材料，待其风干后，将光纤光栅一端与弹性元件黏贴在一起，将弹性元件另一端与底座焊接在一起，形成该传感器的活动端，将光纤光栅与弹性元件放入固定机构内，加以固定，传输光纤拉紧，同时使光纤光栅与弹性元件处于拉紧状态，将固定机构固定在钢管壁上，并在钢管内浇筑混凝土，最后拆除连接固定段子与外套管的螺丝，使活动机构随混凝土移动。本技术的有益效果为：(1)本技术通过支架与外套管连接，底座与外套管连接，也与拉簧一端相连，外套管与底座为该传感器的相对活动端，钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，混凝土中的底座与固定端子发生相对位移，通过拉簧拉动光纤光栅，使其中心波长发生变化。(2)若钢管—混凝土界面产生裂缝或脱空，底座与固定端子产生相对位移，底座会拉动拉簧使之伸长产生拉力，光纤光栅在拉力作用下其中心波长向长波方向漂移，通过监测光纤光栅中心波长的变化即可实现钢管—混凝土界面产生裂缝、脱空的实时监测。该传感器结构简单、灵敏度高、防水防潮、易于安装，具有较强的推广应用价值。附图说明图1为本技术的结构示意图；图2为本技术的特性曲线图。其中，1支架，2外套管，3底座，4固定端子，5内套管，6法兰，7光纤光栅，8拉簧，9传输光纤。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本技术作进一步说明。如图1所示，一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的新型光纤传感器，主要包括支架1、外套管2、底座3、固定端子4、内套管5、法兰6、光纤光栅7、拉簧8与传输光纤9。光纤光栅7一端与拉簧8相连，另一端为传输光纤9，通过法兰6引出，固定端子4在钢管-混凝土外部，为该传感器的固定端，并与支架1相连接。支架1与外套管2连接，底座3与外套管2连接，也与拉簧8一端相连，底座3为该传感器的相对活动端，钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，混凝土中的底座3与固定端子4发生相对位移，通过拉簧8拉动光纤光栅7，使其中心波长发生变化。一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的新型光纤传感器的安装方法如下：步骤一：在光纤光栅7表面涂覆增韧有机材料，待其风干后，将光纤光栅7一端与拉簧8黏贴在一起。步骤二：将拉簧8另一端插入底座3底部的小孔中，并将拉簧8与底座3焊接在一起，形成该传感器的活动端。步骤三：通过螺纹将底座3与外套管2固定拧紧，再将光纤光栅7与拉簧8放入内套管中。步骤四：将法兰6与固定端子4焊接在一起，将传感器底座3与外套管2放入支架1中，再将传输光纤9从法兰6引出，将法兰6底部放入内套管5中。步骤五：将固定端子4与支架1通过螺纹固定在一起，并采用螺丝将固定端子4与外套管2固定。步骤六：把传输光纤9拉紧，同时使光纤光栅7与拉簧8处于拉紧状态，在法兰6与传输光纤9之间涂硬质胶体。步骤七：待胶体风干后，将支架1通过螺纹固定在钢管壁上，并在钢管内浇筑混凝土。步骤八：待混凝土能够承受传感器重力时，拆卸连接固定端子4与外套管2的螺丝，该传感器安装完毕。为了实现本技术的目的，在位移标准试验台上对该传感器进行了性能标定试验，所得实验结果如图2所示。本技术的工作原理为钢管混凝土界面出现裂缝或脱空时，由于外套管与底座埋在混凝土中，因此将随之移动，拉动拉簧使其伸长，与其串联的光纤光栅在拉力下产生轴向应变。假设裂缝宽度为Δx，光纤光栅和拉簧的伸长量分别为Δx1、Δx2，有：Δx1+Δx2＝Δx假设由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化。

【技术特征摘要】
1.一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管与混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化。2.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述固定机构包括固定端子、支架和法兰，所述固定端子为中空结构，上端设置有法兰，法兰内部贯穿有传输光纤，所述支架设置于固定端子下端。3.如权利要求2所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述活动机构包括外套管与底座，所述外套管活动套装与固定机构内部，所述底座的一端固定于混凝土内部，一端固定套装于外套管内部，或所述底座外部为锯齿状结构，且底部中心有小孔。4.如权利要求1所述的一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，其特征是：所述光纤光栅、弹性元件与传...

【专利技术属性】
技术研发人员：田长彬，孙博，林新元，隋青美，张峰，王静，王正方，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：新型
国别省市：山东,37