專利名稱：一種碳纖維封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用碳纖維無膠封裝技術(shù)封裝的、中間交錯(cuò)對稱開槽彈性梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵應(yīng)變傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)變是表征工程結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)，人們通常通過檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來評估一項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)的健康狀況。結(jié)構(gòu)體受外界作用產(chǎn)生的應(yīng)變過大，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋等損傷，進(jìn)一步發(fā)展會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，甚至威脅工程安全。因此，研制各種應(yīng)變傳感器，對工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)、動態(tài)的監(jiān)測具有非常重要的意義。近十幾年來，隨著光纖光柵制作技術(shù)的日益成熟，隨著光纖光柵解調(diào)技術(shù)的日益完善，更重要的是光纖光柵具有抗電磁干擾、抗腐蝕、抗雷擊、波長直接絕對編碼、不受光功率波動影響、長期可靠性和穩(wěn)定性好、具有波分復(fù)用能力以及能在易燃易爆環(huán)境中應(yīng)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)的應(yīng)用研究受到了科研工作者和工程技術(shù)人員的極大關(guān)注，并已形成產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已經(jīng)成功研制出了多種類型的光纖光柵應(yīng)變傳感器。然而，遺憾的是目前市場上的多數(shù)光纖光柵應(yīng)變傳感器是采用環(huán)氧膠粘接工藝來封裝完成的。由于環(huán)氧膠是高分子有機(jī)化合物，易于老化分解，零點(diǎn)漂移現(xiàn)象較為嚴(yán)重，其長期可靠性和穩(wěn)定性得不到有效保證?，F(xiàn)有技術(shù)對光纖光柵進(jìn)行無膠封裝主要采用光纖金屬化封裝方式。中國專利(專利號ZL20062017^25.2) “金屬化光纖光柵及光纖光柵應(yīng)變傳感器”發(fā)布了一種利用化學(xué)鍍方式將光纖光柵及兩端一定距離的光纖表面進(jìn)行金屬化， 然后，再利用錫焊方式在金屬化光纖光柵的兩端分別焊接一個(gè)鎳管，最后利用激光焊接方式將兩個(gè)鎳管分別焊接在一種菱形結(jié)構(gòu)基體上，從而，完成光纖光柵的無膠封裝。但是，該方案需要光纖金屬化并焊接鎳管等工序，工藝較為復(fù)雜，并且成本較高。此外，受鎳管內(nèi)徑的限制，現(xiàn)有加裝鎳管后的光纖光柵多為單端，不利于組網(wǎng)，無法充分發(fā)揮出光纖光柵波分復(fù)用的技術(shù)優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有光纖光柵封裝技術(shù)方案的不足，提供一種新穎的中間交錯(cuò)對稱彈性梁結(jié)構(gòu)的、碳纖維無膠封裝技術(shù)封裝的、長期可靠性高、易于復(fù)用組網(wǎng)的光纖光柵應(yīng)變傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種中間交錯(cuò)對稱開槽彈性梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵應(yīng)變傳感器，它包括安裝桿I、保護(hù)管、彈性梁、安裝桿II、鎧裝光纜、光纖松套保護(hù)管、碳纖維編織布、光纖光柵、光纖光柵尾纖等組成。其中，彈性梁是利用線切割、電火花等機(jī)械加工技術(shù)加工而成的一種中間交錯(cuò)對稱開槽的彈性梁結(jié)構(gòu)，包括螺紋裝配桿I、碳纖維纏繞桿I和交錯(cuò)對稱開槽的結(jié)構(gòu)體、碳纖維纏繞桿II、螺紋裝配桿II等五部分組成。通過調(diào)整彈性體兩端裝配螺紋桿I與碳纖維纏繞桿I、裝配螺紋桿II與碳纖維纏繞桿II的相對位置，可以制作出“增敏型”和“減敏型”兩種應(yīng)變測量結(jié)構(gòu)形式，分別如圖1和圖2所示。以增敏型結(jié)構(gòu)為例，具體操作步驟如下1)根據(jù)彈性梁兩端碳纖維纏繞桿I和碳纖維纏繞桿II的相對位置，將光纖光柵兩端尾纖的相應(yīng)位置光纖涂敷層用光纖剝纖鉗或者光纖熱剝鉗去除；2)用表面噴砂等方式將彈性梁兩端的碳纖維纏繞桿I和碳纖維纏繞桿II的表面進(jìn)行粗化處理； 3)在彈性梁兩端的碳纖維纏繞桿I和碳纖維纏繞桿II上分別緊緊纏繞2 3圈合適尺寸的碳纖維編織布；4)將光纖光柵放置在彈性梁的中心位置，并將已經(jīng)去除光纖涂敷層的光纖裸纖部分分別放置在碳纖維纏繞桿I和碳纖維纏繞桿II上，并拉直力)將光纖夾在兩層碳纖維編織布中間，再繼續(xù)緊緊纏繞2 3圈；6)用耐高溫碳帶緊緊在碳纖維編織布上纏繞一層，并將碳帶的端頭用耐高溫紙膠帶固定好；7)將處理好的帶光纖光柵的彈性梁放入干燥箱中，將干燥箱工作溫度設(shè)定為80°C，固化2個(gè)小時(shí)，然后，再將干燥箱工作溫度升至 120°C，后固化2個(gè)小時(shí)；8)將保護(hù)管套在彈性梁上，并分別通過彈性梁兩端的裝配螺紋將安裝桿I和安裝桿II裝配到彈性體上，需要在裝配螺紋上加粘接劑；9)光纖光柵尾纖用鎧裝光纜保護(hù)，并分別做好與安裝桿I和安裝桿II之間的密封措施。作為對本發(fā)明的改進(jìn)，所述彈性梁的材質(zhì)可以為不銹鋼、青銅等彈性材料的一種。作為對本發(fā)明的改進(jìn)，通過調(diào)整彈性梁不同部分的長度、材料可以起到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。作為對本發(fā)明的改進(jìn)，通過改變彈性梁的結(jié)構(gòu)形式可以起到應(yīng)變測量的“增敏”或者“減敏”效果。本發(fā)明的基本工作原理是通過將光纖光柵兩端尾纖牢靠地夾在碳纖維編織布中， 當(dāng)彈性梁在安裝桿I和安裝桿II的帶動下進(jìn)行拉伸或者壓縮時(shí)，光纖光柵在碳纖維編織布的帶動下收到拉伸或者壓縮，從而引起光纖光柵反射波長的移動，通過檢測光纖光柵反射波長的移動量，進(jìn)而計(jì)算得到待測體應(yīng)變的信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.通過調(diào)整裝配螺紋桿I與碳纖維纏繞桿I、裝配螺紋桿II與碳纖維纏繞桿II 的相對位置，可以制作出“增敏型”和“減敏型”兩種應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)；2.根據(jù)待測體熱膨脹系數(shù)的大小，通過對彈性梁、安裝桿I和安裝桿II的材料熱膨脹系數(shù)的優(yōu)化，可以消除或者減小光纖光柵的溫度、應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)的影響；3.利用碳纖維編織布來實(shí)現(xiàn)光纖光柵的無膠封裝，由于碳纖維固化后，硬度高，長期穩(wěn)定性好，所以，基于碳纖維無膠封裝技術(shù)封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器長期可靠性高；4.應(yīng)變傳感器雙端出尾纖，可以充分發(fā)揮光纖光柵的組網(wǎng)能力；5.通過設(shè)計(jì)合理的安裝方式，可以重復(fù)使用。


圖1為本發(fā)明的一種增敏彈性梁結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的一種減敏彈性梁結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的一種組裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1-螺紋裝配桿I ；2-碳纖維纏繞桿I ；3-交錯(cuò)對稱開槽結(jié)構(gòu)體；4-碳纖維纏繞桿II ；5-螺紋裝配桿I ；6-安裝桿I ；7-保護(hù)管；8-彈性梁；9-安裝桿II ；10-鎧裝光纜； 11-光纖松套管；12-碳纖維編織布；13-光纖光柵；14-光纖尾纖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1和圖3對本發(fā)明具體實(shí)施作詳細(xì)說明本發(fā)明所述的光纖光柵應(yīng)變傳感器包括安裝桿I 6、保護(hù)管7、彈性梁8、安裝桿II 9、鎧裝光纜10、松套管11、碳纖維編織布12、光纖光柵13、光纖尾纖14。所述的彈性梁8由螺紋裝配桿I 1、碳纖維纏繞桿I 2和交錯(cuò)對稱開槽的結(jié)構(gòu)體3、碳纖維纏繞桿II 4、螺紋裝配桿II 5組成。具體實(shí)施過程如下準(zhǔn)備工作1)根據(jù)所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿II 4的相對位置，將所述的光纖光柵13兩端的光纖尾纖14的光纖涂敷層利用現(xiàn)有技術(shù)(例如光纖剝纖鉗、光纖熱撥鉗) 去除；2)將所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿II 4的表面利用現(xiàn)有技術(shù)做粗化處理(例如噴砂)，用以增加摩擦力；3)將所述的碳纖維編織布12的尺寸根據(jù)所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿114的長度處理好。封裝1)將處理好的所述的碳纖維編織布12分別在所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿II 4的表面上緊緊纏繞2 3圈；2)將所述的光纖光柵13置于所述的彈性梁8的中間位置，并將所述的光纖尾纖 14的已經(jīng)去除光纖涂敷層的部分分別放置在已經(jīng)纏繞有所述的碳纖維編織布12的所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿II 4上，并拉直；3)將所述的光纖尾纖14的已經(jīng)去除光纖涂敷層的部分夾在兩層所述的碳纖維編織布12中間，再繼續(xù)纏繞2 3圈；4)用耐高溫碳帶緊緊在碳纖維編織布上纏繞一層，并將碳帶的端頭用耐高溫紙膠帶固定好；5)將處理好的帶所述的光纖光柵13的所述彈性梁8放置到工作溫度為80°C的干燥箱中，固化2個(gè)小時(shí)，然后，再將干燥箱工作溫度升至120°C，后固化2個(gè)小時(shí)，最后，自然冷卻到室溫。后續(xù)處理1)去除纏繞在所述的碳纖維編織布12上的耐高溫膠帶和耐高溫碳帶；2)將所述的保護(hù)管7套在所述的彈性梁8的中間位置，分別將所述的安裝桿I 6 和安裝桿II 9通過螺紋安裝在所述的彈性梁8兩端所述的螺紋裝配桿I 1和螺紋裝配桿 II 5上，需要在螺紋上加粘接劑固定；3)所述的光纖尾纖14用所述的鎧裝光纜10和光纖松套管11保護(hù)，并分別做好與所述的安裝桿I 6和安裝桿II 9之間的固定、密封措施。當(dāng)將本發(fā)明所述光纖光柵應(yīng)變傳感器的兩個(gè)所述的安裝桿I 6和安裝桿II 9通過現(xiàn)有技術(shù)固定在待測物體上時(shí)，待測物體的形變帶動兩個(gè)所述的安裝桿I 6和安裝桿II 9產(chǎn)生相對位移，同樣，兩個(gè)所述的碳纖維纏繞桿I 2和碳纖維纏繞桿114也會產(chǎn)生相對位移，進(jìn)而，在所述的碳纖維編織布12的帶動下，所述的光纖光柵13受到拉伸或者壓縮，從而
5引起所述的光纖光柵13的反射波長的移動，通過檢測所述的光纖光柵13的中心反射波長的移動量，即可計(jì)算得到待測物體應(yīng)力的變化(應(yīng)變)信息。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，其包括安裝桿1(6)、保護(hù)管(7)、彈性梁 (8)、安裝桿II (9)、鎧裝光纜(10)、光纖松套管(11)、碳纖維編織布(12)、光纖光柵(13)、光纖尾纖(14)。其特征在于所述彈性梁(8)由螺紋裝配桿1(1)、碳纖維纏繞桿1(2)和交錯(cuò)對稱開槽的結(jié)構(gòu)體 (3)、碳纖維纏繞桿II (4)、螺紋裝配桿II (5)等五部分組成；所述光纖光柵(1 兩端的所述光纖尾纖(14)分別通過所述碳纖維編織布(1 固定在所述彈性梁(8)兩端的所述碳纖維纏繞桿1( 和所述碳纖維纏繞桿11(4)上。所述碳纖維纏繞桿1( 和所述碳纖維纏繞桿II (4)的相對位移轉(zhuǎn)換為所述光纖光柵(1 的應(yīng)變量，進(jìn)而導(dǎo)致所述光纖光柵(1 的中心反射波長的變化；所述保護(hù)管(7)套到所述彈性梁(8)的中間部分，而所述安裝桿1(6)和所述安裝桿 II (9)分別通過螺紋緊固的方式固定在所述彈性梁(8)兩端的所述螺紋裝配桿I (1)和所述螺紋裝配桿11(5)上，并與所述保護(hù)管(7)為間隙配合；所述光纖尾纖(14)用所述鎧裝光纜(10)和所述光纖松套管(11)保護(hù)，并分別與所述安裝桿I (6)和所述安裝桿II (9)進(jìn)行密封性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于所述彈性梁(8)的材料可以為不銹鋼、青銅材料的一種；所述彈性梁(8)通過調(diào)整所述螺紋裝配桿I(I)與所述碳纖維纏繞桿I O)、所述碳纖維纏繞桿11(4)與所述螺紋裝配桿11(5)的相對位置，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量的“增敏”和“減敏”設(shè)計(jì)，通過調(diào)整所述螺紋裝配桿I(I)和所述螺紋裝配桿II 的長度可以改變應(yīng)變靈敏系數(shù)；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，其特征在于根據(jù)待測體熱膨脹系數(shù)的大小，通過對所述彈性梁(8)、所述安裝桿1(6)和所述安裝桿11(9)的材料熱膨脹系數(shù)的優(yōu)化，可以消除或者減小所述光纖光柵(1 的溫度、應(yīng)變交叉敏感效應(yīng)的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，其包括中間交錯(cuò)對稱開槽結(jié)構(gòu)的彈性梁、光纖光柵、碳纖維編織布、保護(hù)管、安裝桿I、安裝桿II、鎧裝光纜、光纖松套管等組成。利用碳纖維編織布將光纖光柵兩端的光纖尾纖固定在彈性梁上，并套上保護(hù)管，將安裝桿I和安裝桿II分別通過螺紋固定在彈性梁的兩端，并用鎧裝光纜和光纖松套管保護(hù)光纖尾纖。將安裝桿I和安裝桿II分別固定在待測物體上時(shí)，待測物體的形變使安裝桿I和安裝桿II產(chǎn)生相對位移，通過力的傳遞，進(jìn)而在碳纖維編織布的帶動下，光纖光柵受到拉伸或者壓縮，從而引起光纖光柵的反射波長的移動，通過檢測光纖光柵的反射波長的移動量，即可計(jì)算得到待測物體應(yīng)變信息。該傳感器具有靈敏度高、測量精度高、長期可靠性好、抗電磁干擾、抗雷擊、抗腐蝕、可組網(wǎng)、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01D5/353GK102192712SQ20111005466
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者趙恩國 申請人:趙恩國