一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法专利目的

《一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法》目的是提供一种能够解决传统光纤光栅传感器在恶劣环境下长期检/监测稳定性与耐久差等问题，并克服光纤光栅传感器测量过程中存在的纤芯与包覆层存在的滑移问题，提高光纤光栅传感器在土建交通工程领域应用的适用性和耐久性，为土建交通领域大型工程结构的长期检测和健康监测提供一种稳定可靠的高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法。

一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法技术方案

《一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法》包括如下步骤：

选取：首先以光纤光栅为中心向两边分别量取一半传感标距长度

，确定标距长度为AB，利用光纤涂覆层剥除及封装装置剥除该段光纤的包覆层，用丙酮或乙醇进行清洗后利用高模量材料进行再封装；然后，通过穿套管装置在传感标距长度

上穿过套管，用高弹性模量的胶将光纤光栅传感器的两端固定在套管的A与B两端，固定长度为

；

制造：将单个长寿命高精度长标距光纤光栅传感器进行熔接，形成串联连接，将分布熔接串联光栅的光纤或分布刻写光栅的光纤缠绕在轴筒上，以备分布式光纤传感器的连续封装；

在牵引及产品收集装置的牵引下，轴筒自动将串联了光纤光栅的光纤按一定速度放光纤；在光纤包覆层剥除及封装装置处，自动除去套管内固定点及锚固段处的涂覆层，同时进行抗滑移封装；在穿套管装置处，进行套管安装，每个套管的长度为

，通过光纤张拉应变控制装置控制光纤的拉伸应变，用光纤套管内固定装置将光纤的两端固定在套管上；封装用纤维通过纱轴放线，然后在编织机处对套管及商业光纤外面单向或双向编织纤维套层，通过锚固段树脂浸渍机用环氧树脂对锚固段进行浸渍，用环氧树脂对其他部分进行浸渍；通过烘干装置在真空环境下进行养护，并在长标距传感器的两端熔接上光缆和收集在牵引及产品收集装置上备用；整个过程通过智能生产控制系统进行智能化控制。

《一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法》对锚固段进行浸渍的环氧树脂中添加了质量百分比为0.05-5%抗老化剂和0.5-20%增强相，对其他部分进行浸渍的环氧树脂中添加了质量百分比为0.05-5%抗老化剂。

比较好的是，该发明的抗老化剂由苯并三唑类、苯酮类、受阻酚类、受阻胺类、三嗪类及水杨酸酯类中的一种或几种混合组成，增强相为炭黑、纳米碳管、陶瓷颗粒、金属颗粒及金属氧化物颗粒的一种或几种混合组成。

比较好的是，该发明的套管选取直径为0.2-2.0毫米的毛细玻璃管、细金属管或高性能聚合物管中的一种。

《一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法》的长寿命高精度长标距光纤光栅传感器通过特殊的纤维复合材料封装设计实现其在恶劣及暴露环境下长期检/监测的稳定性和长寿命化；其中，在封装复合材料的基体树脂中加入抗老化剂，以提高其在光照射、温度及湿度变化等条件下的抗老化性能与耐久性；为减小甚至避免测量过程中存在的纤芯与包覆层存在的滑移问题，在锚固段采用高弹性模量和高刚度的树脂基体，并在封装时除去锚固段光纤的低弹模树脂包覆层；同时，为使光纤光栅传感器具有区域传感功能，在光纤光栅外套一段长度为标距长度

的套管，确保套管内的光纤处于自由变形状态并形成均匀的应变场，另外多个长标距光纤光栅传感器可以进行串联形成分布式长标距光纤光栅传感器。为此需要解决下面三方面的问题：

1）长寿命的实现，由于树脂是高分子材料，在土建交通等粗放与暴露环境下经日晒雨淋容易出现老化，严重影响长期测量的精度和稳定性，该发明专利采用了在浸渍树脂中添加了抗老化剂，由苯并三唑类、苯酮类、受阻酚类、受阻胺类、三嗪类及水杨酸酯类中的一种或几种混合组成，极大提高了长标距光纤光栅传感器的寿命和长期稳定性；另外，可选择采用具有对248纳米激光透明涂敷层的光纤进行光栅制作，通过高功率准分子激光器脉冲光，可在不剥离涂敷层情况下制作出光纤光栅，一方面能有效提高光栅抗破坏性能，另一方面可实现光栅的耐水、抗潮性能，进一步提高其寿命与稳定性。

2）长标距传感的实现，其技术关键是自由封装套管的使用，在包括光纤光栅在内的长标距传感段用套管穿过，套管的内壁要均匀光滑，与光纤的摩擦系数小，使长标距传感段内的光纤可自由移动，受力后形成均匀的应变场；根据实际工程需求，自由封装套管通常选用聚合物套管及金属套管，也可选择使用毛细玻璃套管；

3）防滑移处理，主要采取了两种措施，一是除去锚固段光纤的包覆层，二是采用弹性模量高的树脂进行纤维复合材料封装，大幅提高光纤与封装复合材料的界面模量。

此外，在制作过程中对光纤光栅进行一定的预张拉，以使光纤光栅处于拉伸状态，同时可以对压应变进行测量。预张拉应变的大小可以根据测量压应变的大小而定，通常情况下为了避免长期预张拉状态下的光纤可能存在的滑移，预张拉应变一般小于300με。

封装后的长标距光纤光栅传感器可以进行串联，实现分布式长期检/监测。长标距传感器可以与普通光缆进行熔接，通过光缆进行数据传递。封装后的长标距传感器抗老化、抗腐蚀性能优良，可以在土建交通工程结构的表面粘贴或埋入结构进行长期检测和健康监测，具有优良的测量稳定性和准确性。

蒸汽及水对光纤光栅传感器的长期测量性能影响大，因而在长标距光纤光栅传感器制作过程中应对套管两端进行严格的密封，防止水和蒸汽进入。

一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法改善效果

1）长寿命。由于采用了纤维材料和改性树脂（抗老化、高强韧性）进行封装，传感器的耐久性和长期测量稳定性得到了根本性的提高，适合土建交通工程结构在暴露及严酷环境下的长期检测和健康监测。

2）高测量准确性和精度。针对影响传感器测量准确性的光纤滑移现象，采用除去光纤锚固段涂覆层、加长锚固段及提高锚固段树脂弹性模量与强韧性等技术手段，极大改善了光纤的滑移，从而提高了测量的准确性和精度。

3）长标距传感。采用长标距传感技术，可以得到大型土建交通工程结构一定区域内的平均应变，可以避免混凝土结构因裂缝等因素引起的应力集中对监测结果引起的影响，测量结果更能反映结构的应力应变特征。

4）分布式传感。可以将长标距光纤光栅传感器进行串联测量，尽可能广的覆盖大型土建交通工程结构较大范围，对结构进行整体监测，同时可以通过长标距分布应变获得大型结构的变形分布、转角等信息，适合大型土木交通工程结构的检/监测。

5）多功能性。长标距光纤光栅传感器可以对结构进行动态和静态检/监测、整体和局部检/监测，同时能获得结构的应变、变形、曲率、频率、模态、振型等综合性参数信息。