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一种高耐久长标距光纤光栅传感器及其制造方法实施方式

2022/07/16111 作者:佚名
导读:根据传感器的用途、测量精度分为三种类型,基本型、填充型和增敏型高耐久长标距光纤光栅传感器。 1)基本型光纤光栅传感器,如图2所示,包括长度 为的商业光纤5,商业光纤5的中段设置光纤光栅4,商业光纤5的外周设置套管7、编织纤维套层8、封装结构6,商业光纤5与套管7之间通过厚度为 的套管内固定点11固定;套管内固定点11与编织纤维套层8之间分别设置厚度为 的锚固段12;商业光纤5的两端依次连接锚固段光

根据传感器的用途、测量精度分为三种类型,基本型、填充型和增敏型高耐久长标距光纤光栅传感器。

1)基本型光纤光栅传感器,如图2所示,包括长度

为的商业光纤5,商业光纤5的中段设置光纤光栅4,商业光纤5的外周设置套管7、编织纤维套层8、封装结构6,商业光纤5与套管7之间通过厚度为
的套管内固定点11固定;套管内固定点11与编织纤维套层8之间分别设置厚度为
的锚固段12;商业光纤5的两端依次连接锚固段光纤13、连接光纤15,连接光纤15的末端通过连接法兰17连接传输光缆16。

其制作工艺主要包括如下步骤:

第一步、确定传感标距长度

,除去传感标距段两端套管内锚固点11和锚固段12长度为
光纤的涂覆层,并对光纤进行清洗;

第二步、对除去包覆层的锚固段光纤13进行封装保护,封装时要使保护层及界面的弹模与纤芯的弹模相匹配,一方面可降低测量过程中滑移对测量精度的影响,另一方面对除去包覆层的光纤进行保护;

第三步、将商业光纤5固定在套管7的两端,固定时施加一定的预应力以确保制作过程中光纤处于伸直状态并能满足压应变测量需求;

第四步、用编织机30在套管7、锚固段光纤13及连接光纤15的外围自动编织纤维套层8,纤维29可选用玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等纤维材料;

第五步、用抗老化增强树脂14对长标距光纤光栅传感器的锚固段12进行全面浸渍;

第六步、用抗老化树脂9对长标距光纤光栅传感器的封装结构6及连接光纤15进行全面浸渍;

第七步、对用树脂浸渍后的长标距光纤光栅传感器进行养护,并连接传输光缆16。

2)用于潮湿、振动大等严酷环境的填充型光纤光栅传感器,如图3所示。与基本型光纤光栅传感器相比,主要区别为套管7内充入填充介质,制作工艺主要区别在于第三步,即在将连接光纤5固定在套管7两端时,在套管内充入填充介质10后严格密封;介质可以为惰性气体或油脂类液体,如二氧化碳、氮气、润滑油脂等。填充型传感器主要针对地下工程等潮湿和严酷环境下应用,能够有效防止水及蒸汽进入套管而影响传感器的寿命及测量精度;另外,充入油脂后可有效缓冲并降低由于外界振动对光纤光栅传感器测量误差的影响,适合于传感标距较长的使用情况。

3)增敏型光纤光栅传感器,如图4所示。与基本型与填充型光纤光栅传感器相比,其主要区别在于套管7内的光纤有增敏封装段18。其制作工艺主要包括如下步骤:

第一步、确定传感标距长度

及增敏系数,根据增敏系数确定增敏封装的长度
,除去传感标距段两端套管内锚固点11、锚固段12和增敏封装段18长度为
光纤的涂覆层,并对光纤进行清洗;

第二步、对除去包覆层的锚固段光纤13进行封装保护,封装时要使保护层及界面的弹模与纤芯的弹模相匹配,一方面可降低测量过程中滑移对测量精度的影响,另一方面对除去包覆层的光纤进行保护;

第三步、根据增敏系数,确定增敏封装段长度及增敏封装材料,用高模量的材料对增敏封装段18进行封装,提高该段的刚度,使传感器受力后变形能均匀的集中在光纤光栅附近

第四步、将连接光纤5固定在套管7的两端,固定时施加一定的预应力以确保制作过程中光纤处于伸直状态并能满足压应变测量需求;

第五步、用编织机30在套管7、锚固段光纤13及连接光纤15的外围自动编织纤维套层8,纤维29可选用玄武岩纤维、高性能玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等纤维材料;

第六步、用抗老化增强树脂14对长标距光纤光栅传感器的锚固段12进行全面浸渍;

第七步、用抗老化树脂9对长标距光纤光栅传感器的长标距传感段6及连接光纤15进行全面浸渍;

第八步、对用树脂浸渍后的长标距光纤光栅传感器进行养护,并连接传输光缆16。

高耐久长标距光纤光栅传感器制作用树脂设计:

树脂是决定长标距光纤光栅传感器寿命和精度的一个主要因素,在高耐久长标距光纤光栅传感器制作中选用两类改性树脂。

一类是抗老化树脂9,如图5所示,即在树脂19中添加抗老化剂20,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,质量百分比添加量通常在0.05-5%;主要用于封装结构6和连接光纤15等部分的封装。另一类是抗老化增强树脂14,如图6所示,即在树脂19中添加了抗老化剂20和增强相21,抗老化剂与抗老化树脂9中的抗老化剂种类及质量百分比含量相同;所添加的增强相21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,添加的质量百分比为0.5-20%。树脂19主要为环氧类树脂,对于标距较长的传感器可以选用固化后呈柔软状的环氧树脂,以便用产品的运输和安装。

分布式传感器设计:

分布式长标距光纤光栅传感器是由多个长标距光纤光栅传感器串联而成,通常有两种方式实现其分布式传感,如图7所示。

一是,将制备的单个长标距光纤光栅传感器用光缆进行串联连接,然后在被测工程结构上分布式布设。

二是,一体化封装制作,与单个长标距光纤光栅传感器制作基本相同,主要制作步骤如下:

第一步、在封装前将光纤光栅传感器用光纤进行串联连接,根据测量需要预留好光纤光栅传感器之间的距离;

第二步、分段除去每个长标距传感器套管内固定点11和两端锚固段的包覆层并进行清洗,两相邻长标距传感器可以共用之间的锚固段,但要确保锚固段的长度≥

;对于增敏型长标距光纤光栅传感器,同时需要除去增敏封装段18光纤的包覆层;

第三步、对串联的每个光纤光栅传感器穿过长度为

的套管7,确保传感标距长度为
,套管可以选用聚合物套、金属套管或毛细玻璃套管等,套管的内径一般为光纤直径的2-3倍;

第四步、在预张拉的情况下将光纤光栅传感器固定在每个传感器的套管两端,固定长度为

,预张拉应变的大小在确保光纤光栅传感器伸直的基础上根据所要监测压应变的大小确定,确保套管两端的严格密封;对于填充型长标距光纤光栅传感器,在套管7两端固定商业光纤5时在套管内充入填充介质,填充介质可以为二氧化碳、氮气等惰性气体或油脂类液体。

第五步、在编织机上,在串联光纤光栅传感器的外面用纤维材料编制纤维套管,套管可以进行单向编织也可进行双向编织;

第六步、在锚固段

和其他部分(
及连接段)分别用抗老化增强树脂和抗老化树脂进行浸渍,最后进行养护和连接光缆。

长标距光纤光栅传感器锚固:

封装后的长寿命高精度长标距光纤光栅传感器与混凝土结构具有良好的粘结性能,而且小型轻巧,既便于在土建交通工程结构表面进行安装布设,也便于在大型工程结构内埋入布设,不影响结构的力学性能。安装布设的关键是确保每个长寿命高精度长标距光纤光栅传感器的锚固段12与被测结构必须进行牢固结合,其余部分粘结在结构上即可。

鉴于长标距光纤光栅传感器的特性,提出以下两种主要安装布设方式。

1)表面布设

表面布设可分为表面全分布式和表面局部分布式布设。表面全分布式布设:对于大型土建交通工程结构,由于损伤位置及程度存在较大的随机性,为对结构进行全面监测,将长标距光纤光栅传感器沿被测结构物表面用树脂进行全面分布式粘贴。表面局部分布式布设:根据工程经验和理论分析,对结构的应变分布及可能出现的损伤部位进行预测,在应变较大和易出现损伤的位置布设长标距光纤光栅传感器。

2)埋入布设

对于预制结构,可以将长标距光纤光栅传感器预埋入结构,也可分为全分布式埋入布设和局部分布式埋入布设。全分布式埋入布设:对于无法具体预测损伤位置及程度的大型工程结构,将分布式长标距光纤光栅传感器沿着钢筋或某方向布设,然后进行混凝土浇筑;或在结构物上开槽,长标距传感器布设好后用树脂、腻子等将所开的槽填平。局部分布式埋入布设:根据工程经验和理论分析,对结构的应变分布及可能出现的损伤部位进行预测,在混凝土浇筑前在相应的钢筋处布设长标距传感器,然后进行混凝土浇筑;或在结构上局部开槽,长标距传感器布设好后用树脂、腻子等将所开的槽填平。

制作时,首先以光纤光栅4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。然后分别向外再量取固定点及锚固长度
,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25在标距长度
上穿过套管7,套管的直径可选取0.2-1.0毫米的毛细玻璃管、金属管或高性能聚合物管,其中要求套管内壁与光纤之间摩擦系数越小越好以便形成均匀应变场,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
,固定时对光纤适当施加预张拉,在确保光纤伸直的基础上根据压应变的测量需求确定施加预应力的大小。

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23上,以备分布式光纤传感器的连续封装。对于分布刻写光栅,可以在248纳米波长激光透明的特殊涂敷层光纤上刻写,以避免常规光纤光栅刻写前须剥除涂敷层这一弊端,有效提高了传感器抗破坏性能,同时提高了光纤光栅使用寿命以及耐潮、耐水性能,也可以在普通单模光纤上刻写。采用在光纤上直接刻写的优点是不需要将单个光纤光栅传感器通过熔接形成串联分布,自然形成串联分布,减少了单个光纤光栅的熔接工艺,同时极大降低了测量中的光损和极大提高了光纤的强度。

长寿命高精度长标距光纤光栅传感器采用流水线封装作业,在牵引机装置34的牵引下,轴筒23自动将串联了光栅4的光纤按一定速度放光纤。在光纤包覆层剥除及封装装置24处,自动除去套管内固定点11及锚固段12处的涂覆层3,同时进行抗滑移封装。在穿套管装置25处,进行套管安装,每个套管的长度为

,根据不同的使用环境,套管可以选择毛细玻璃管、金属管或聚合物管。通过光纤张拉应变控制装置27严格控制光纤的拉伸应变,其大小在确保光纤伸直的情况下根据所测压应变的大小设定,用光纤套管内固定装置26将光纤的两端牢固固定在套管7上。封装用纤维29通过纱轴28放线,然后在编织机30处对套管7及光纤5外面单向或双向编织纤维套层,编织用纤维可以选用玄武岩纤维、高性能玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维。通过锚固段树脂浸渍机31用添加了质量百分比为0.05-5%抗老化剂20和0.5-20%增强相21的环氧树脂对锚固段12进行浸渍,用添加了质量百分比为0.05-5%抗老化剂20的环氧树脂对其他部分进行浸渍;其中,抗老化剂18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21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。最后,通过烘干装置33进行养护,并在长标距传感器的两端熔接上光缆和收集在产品收集装置34上备用。整个工艺系统通过智能生产控制系统35进行智能化控制。

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