适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器制造技术

一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，支撑系统上布置光纤固定系统，径向应变测量传感器和环向应变测量传感器穿插入光纤固定系统中，径向应变测量传感器和环向应变测量传感器分别与信号解调系统连接，信号解调系统和数据采集系统连接。本实用新型专利技术提供了一种操作简单、试验周期短、成本低、能原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的光纤光栅传感器，提高结果的准确性和真实性，对深入研究由钢筋锈蚀引起的混凝土耐久性降低问题有至关重要的意义，为将来混凝土结构耐久性设计提供基础保障。

Fiber Bragg grating sensor for monitoring the strain field of concrete rust crack around the reinforcement

【技术实现步骤摘要】
适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器
本技术属于混凝土应变场监测领域，涉及一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器。
技术介绍
混凝土作为当今世界最主要的建筑材料之一，因其取材、成本、生产工艺等方面的优势，应用十分广泛。不仅在各种土木工程中使用，在造船业、机械工业、海洋开发等工程中也是非常重要的材料。处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝土结构，钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。大量混凝土结构由于耐久性劣化造成严重的经济损失，还对当今世界能源供应、环境污染和可持续发展产生巨大压力和恶劣影响。钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能退化，是由于产生腐蚀物质。腐蚀产物密度小于钢筋，在钢筋表面堆积并发生体积膨胀现象，在钢筋和混凝土间产生锈胀压力，导致钢筋外侧混凝土的开裂直至剥落。事实上，混凝土不仅在径向上承受膨胀力，在环向上还同时存在着拉应力。因此，钢筋锈蚀引起的混凝土开裂问题应从混凝土受多轴应力状态下的各项异性损伤出发进行研究。原位实时监测钢筋周围混凝土径向、环向锈裂应变场的变化，有助于统计钢筋锈蚀的各方面数据，为今后预测不同环境下钢筋混凝土的锈裂程度、锈裂时间提供依据。中国专利授权公告号CN104567709A，授权公告日期是2015年1月14日，名称为“一种王字形的光纤光栅传感器贴片”；中国专利授权公告号CN205561776U，授权公告日期是2016年9月7日，名称为“一种光纤光栅贴片式应变传感器”；中国专利授权公告号CN107218900A，授权公告日期是2017年9月29日，名称为“一种基于光纤光栅应变感测技术的PCCP应变测试方法”，三件技术申请中均采用布置贴片式光纤光栅传感器得到待测数据，该贴片式传感器虽然能实时监测径向的应变，但只能沿单一直线方向布置，不能得到沿钢筋环向的应变，不能真实反映钢筋锈胀时周围混凝土的环向应变场情况，无法得到准确、可靠的数据用以预测不同情况下钢筋混凝土的锈裂程度和锈裂时间。
技术实现思路
为了克服已有技术光纤光栅传感器的操作麻烦、试验周期较长、成本较高、无法原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的不足,本技术提供了一种操作简单、试验周期短、成本低、能原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的光纤光栅传感器，提高结果的准确性和真实性，对深入研究由钢筋锈蚀引起的混凝土耐久性降低问题有至关重要的意义，为将来混凝土结构耐久性设计提供基础保障。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，所述支撑系统上布置所述光纤固定系统，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器穿插入所述光纤固定系统中，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器分别与所述信号解调系统连接，所述信号解调系统和所述数据采集系统连接。进一步，所述支撑系统包括自适应框架系统、拉结系统、固定圆环和固定节点，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设所述固定节点，所述拉结系统与所述光纤固定系统交接处布设所述固定节点，所述固定圆环和所述拉结系统连接，所述拉结系统和所述自适应框架系统连接。再进一步，所述光纤固定系统包括径向固定系统和环向固定系统，所述光纤固定系统为中空管状结构，所述径向固定系统包括水平横向固定结构和垂直竖向固定结构，所述环向固定系统包括设定数量个圆心重叠、直径成相关倍数的圆环固定结构，所述圆环固定结构上方均开有一小孔，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器从所述小孔穿入所述圆环固定结构，沿所述圆环固定结构绕一圈后，再用高粘性胶水灌入所述小孔进行封装，所述径向固定系统叠放在所述环向固定系统上，再用高粘性胶水在叠放处粘结所述径向固定系统。更进一步，所述径向固定系统表面使用螺纹加工技术，所述支撑系统和所述光纤固定系统一次融筑成型。所述自适应框架系统为稳定多边形结构，所述拉结系统使用若干道拉结固定结构，所述固定圆环和所述固定节点形状、尺寸均可变，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设的所述固定节点用于固定所述径向固定系统，所述拉结系统与所述光纤固定系统连接处布设的所述固定节点用于连接并固定所述环向固定系统。本技术中，采用环向、径向双轴测量钢筋周围混凝土锈裂情况，实时监测混凝土双轴锈裂应变场情况，并且可以根据所得锈裂应变数据预测不同情况下混凝土的锈裂程度和锈裂时间；本装置通过将径向应变测量传感器、环向应变测量传感器穿插入光纤固定系统中用高粘性胶水封装，保证了应变测量传感器在光纤固定系统中不发生变形和位移，影响待测位置锈裂应变的测量准确性；本装置在拉结系统与光纤固定系统连接处布设若干个固定节点，用于连接和固定环向固定系统，防止环向固定系统在混凝土浇筑时发生转动或位移；本装置通过对径向固定系统表面使用螺纹加工技术，将径向固定系统叠放在环向固定系统上，并用高粘性胶水粘结固定径向固定系统，以及在固定圆环和自适应框架系统上等间隔一对一布设固定节点拉直固定径向固定系统，保证了径向固定系统不会随混凝土浇筑在任何方向上发生位移，影响混凝土径向锈裂应变场的监测；本装置通过将光纤固定系统与支撑系统一次融筑成型，保证光纤固定系统与支撑系统位于同一平面，确保了支撑系统对光纤固定系统的支撑稳定效果；本装置将固定圆环卡设在钢筋上，保证本装置垂直于钢筋卡设在混凝土模板中，确保了光纤固定系统与混凝土界面紧贴，有效避免了混凝土浇筑时光纤光栅传感器移位的问题，提高了原位监测的精确性和结果的准确性；本装置可以通过改变径向应变测量传感器和环向应变测量传感器中光栅的栅距，尤其在传感器上每间隔若干距离制作参考标记，引起反射波长的信号变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出参考标记位置的应变情况，实现对混凝土锈裂应变场的实时监测，可控性好，精确度高；本装置若在同一根光纤中再写入多个光栅，构成传感阵列，且多写入的光栅对于应变不敏感，还可以同时测量多个物理量(温度、应力、浓度等)；本装置采用的自适应框架系统可以是四边形，或者更加稳定的六边形等多边形结构，可以更贴合、固定光纤环向固定结构；本装置采用的拉结系统可以在水平横向固定结构和垂直竖向结构之间使用一道或若干道拉结固定结构；本装置采用的固定圆环和固定节点形状、尺寸可以根据实际情况进行调节。本技术的有益效果主要表现在：通过检测光纤光栅传感器中心波长的变化，实现对钢筋周围混凝土径向、环向锈裂应变场变化的实时监测，为今后预测不同条件下钢筋混凝土的锈裂程度和锈裂时间打下基础，具有结构简单，灵敏度高、防电磁干扰、便于安装、耐腐蚀的优点，有较好的推广应用价值。附图说明图1为本技术的结构原理示意图。图2为本技术涉及的支撑系统的结构原理示意图。图3为本技术涉及的光纤固定系统正视图。图4为本技术涉及的光纤固定系统左视图。图5为本技术涉及的光纤固定系统俯视图。图6为本技术涉及的光纤固定结构的中空管状结构示意图。图7为本技术实施例1提供的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器的结构原理示意图。图8为本技术实施例2提供的适用于监测钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，所述支撑系统上布置所述光纤固定系统，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器穿插入所述光纤固定系统中，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器分别与所述信号解调系统连接，所述信号解调系统和所述数据采集系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，所述支撑系统上布置所述光纤固定系统，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器穿插入所述光纤固定系统中，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器分别与所述信号解调系统连接，所述信号解调系统和所述数据采集系统连接。2.如权利要求1所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述支撑系统包括自适应框架系统、拉结系统、固定圆环和固定节点，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设所述固定节点，所述拉结系统与所述光纤固定系统交接处布设所述固定节点，所述固定圆环和所述拉结系统连接，所述拉结系统和所述自适应框架系统连接。3.如权利要求1或2所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤固定系统包括径向固定系统和环向固定系统，所述光纤固定系统为中空管状结构，所述径向固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：付传清，周科文，方德明，金贤玉，刘承斌，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33