CN110220472B - 一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，所述传感器包括置于金属管内的弹性棒；所述弹性棒表面开有光纤缠绕槽；所述光纤缠绕槽内设有紧贴于弹性棒表面的光纤；所述光纤尾端设有未与弹性棒表面接触的自由端FBG2；所述自由端FBG2处设有用于温度补偿的第一光栅区域；光纤缠绕槽内的光纤中段FBG1处设有第二光栅区域；所述第一光栅区域、第二光栅区域的中心波长不同；本发明能够保证所设计的传感器精度与量程高、成活率高、具有长期稳定性以及与混凝土本身的相容性高，并结合路面板施工环境与服役条件，保证传感器安装使用的便捷性及与整体监测系统的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及监测路面板力学行为的数据传感技术领域，尤其是一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器。
背景技术
近段时间以来，不少研究人员发现混凝土结构的长期耐久性密切相关与其在早龄期阶段的行为、性状特征有着紧密联系。因此，对混凝土结构早龄期行为进行监测与分析是非常必要的。早龄期变形监测研究国外起步较早（1983年），路面早龄期的监测最早于1994年开展，综合国内外监测技术现状调研情况，对水泥混凝土路面早龄期的行为监测从1994年至今已有二十多年，与相关研究成果紧密相关的监测技术不够完善。
翘曲行为是路面板早龄期行为的重要部分，对路面板的长期服役性能有显著影响。翘曲行为的监测量为面板各位置的竖向位移。以往翘曲行为监测方法中选用的传感器主要是振弦式应变计和LVDT。振弦式应变计感器的关键技术指标一般为精度0.00015mm，量程0.45mm，其使用方法为在基层与面层间进行预埋，一端置入基层，一端伸入面层。LVDT传感器的关键技术参数一般为精度0.001mm，量程2mm，其使用方法为将测量探头贴于面板顶部，随后固定好传感器主体。
这两类传感器在以往翘曲行为研究中大放异彩，然而它们各有局限性：振弦式应变计使用方便，精度较高，且可实现定时自动化采集。然而将其用于翘曲行为监测时，成活率与长期稳定性较低。而且最大量程仅为0.45mm，数值分析与实测的翘曲量级均可达到1mm，数据可信度存疑；LVDT的精度量程可满足路面板早龄期监测要求。但由于放置于路面板外部，在路面板服役期间的恶劣气候条件中易产生扰动而产生测量误差。而且，由于内部构造遇未固化的混凝土浆体易发生传感器失效，无法安装于路面板与基层之间。
综上所述，目前水泥混凝土路面板早龄期监测还存在以下问题：
（1）早龄期路面板支撑状态监测困难。支撑状态包括混凝土固化过程中板底与基层的接触支撑状态以及通车后车辆荷载、环境因素影响下的翘曲行为。目前的研究集中在固化过程中的翘曲研究且测量点较少（一般取板中、板角、板边、1/4板中），实际测量结果显示的不对称翘曲现象与数值分析有较大偏差。
（2）传感器成活率低。振弦式应变计用于竖向位移监测时，由于在长期监测中受到恶劣服役环境及车辆动荷载影响，用于测量竖向位移的传感器成活率偏低。
（3）传感器精度与量程低。传统监测手段无法解决量程与精度的矛盾。
（4）不具备长期稳定性。环境荷载条件下，路面板的翘曲行为在前7天不断发展，第7～14天趋于稳定。然而路面板服役后的翘曲行为研究较少。
发明内容
本发明提出一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，能够保证所设计的传感器精度与量程高、成活率高、具有长期稳定性以及与混凝土本身的相容性高，并结合路面板施工环境与服役条件，保证传感器安装使用的便捷性及与整体监测系统的适应性。
本发明采用以下技术方案。
一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，所述传感器包括置于金属管内的弹性棒；所述弹性棒表面开有光纤缠绕槽；所述光纤缠绕槽内设有紧贴于弹性棒表面的光纤；所述光纤尾端设有未与弹性棒表面接触的自由端FBG2；所述自由端FBG2处设有用于温度补偿的第一光栅区域；光纤缠绕槽内的光纤中段FBG1处设有第二光栅区域；所述第一光栅区域、第二光栅区域的中心波长不同。
所述光纤为单模光纤。
所述第一光栅区域、第二光栅区域的长度为10mm；所述传感器精度控制在0.01mm以下，量程≥1mm。
所述弹性棒为橡胶棒；所述金属管为不锈钢管；不锈钢管的一端处设有用于引出自由端FBG2的尾纤孔。
所述不锈钢管两端以不锈钢片遮蔽；所述橡胶棒的两端与不锈钢管两端的不锈钢片接触。
所述不锈钢管两端的不锈钢片对橡胶棒施以压力并形成预应力。
所述传感器埋设于路面板的面层、基层，并根据需要监测的力学行为和信息组成基于物联网技术的路基路面传感监测网，所述路基路面传感监测网用于对路面板的物理状态、力学响应、结构变形指标进行观测。
所述光纤位移传感器与实时采集装置相连；所述实时采集装置经所述光纤位移传感器采集路面板、路基的监测数据并以无线传输设备把数据上传至远端处理机构处。
所述光纤位移传感器的制备包括以下步骤；
步骤S1：将橡胶棒两端进行打磨处理，使两端端面水平、光滑；
步骤S2：将橡胶棒进行平滑刻槽处理，以防止光纤在槽内错动。随后将光纤缠绕于槽内；使光纤尽量紧贴橡胶棒表面；
步骤S3：将缠绕好的光纤固定好，分别在光纤靠近橡胶棒两侧的端头与光栅区域两端均匀涂上调配好的胶粘剂，等待其固化；
步骤S4：取1个不锈钢片，在圆片中心均匀涂抹胶粘剂。待其固化一部分后，将橡胶棒置于胶粘剂中心，待胶粘剂全部固化完成，本步骤中需要保证橡胶棒与不锈钢片的垂直；
步骤S5：将橡胶棒穿过一端已开好半圆形的尾纤孔的不锈钢管，保持钢管中轴与橡胶棒中轴重合，并用胶粘剂把不锈钢片固定于不锈钢管管口处；本步骤需要保护光纤在橡胶棒外作为温度补偿的第一光栅区域，并防止自由端FBG2光纤沾到胶粘剂影响补偿精度；
步骤S6：把光纤尾端从尾纤孔牵出，用塑料管及绝缘胶带密封好，保持伸出的光纤尾端处于自由、不受力的状态，避免被胶粘剂固定住；
步骤S7：取另一个不锈钢片，按照步骤S4的方法完成不锈钢钢管另一端的不锈钢片安装，同时确保安装该不锈钢片后的橡胶棒比不锈钢管略长；
步骤S8：对超出不锈钢管的橡胶棒这一端施加预应力，加载时注意使橡胶棒受力均匀，并保持橡胶棒与钢片垂直；待此端的不锈钢片触及不锈钢管端部后，用胶粘剂将该不锈钢片固定于不锈钢管管端处。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明能够保证所设计的传感器精度与量程高。由于面板早龄期翘曲监测中的竖向位移>0，综合考虑选取传感器的主要监测参数为精度≤0.01mm，量程≥1mm，试验结果表明，本发明的自制光纤位移传感器精度可达0.0090mm，标定量程为1.009612mm，能够解决早龄期监测中量程与精度间矛盾的问题。
（2）本发明能够保证所设计的传感器成活率高。传统的位移传感器并不能很好的适应面板施工时的恶劣环境，往往出现各种失活状况，而本发明的光纤位移传感器，经室外小板的现场试验结果表明传感器成活率为100%。
（3）本发明能够保证所设计的传感器具有长期稳定性以及与混凝土本身的相容性高。以往的传感器往往容易失活，或者在服役较短的时间内即失活，本发明的光纤位移传感器经试验检测，是具有长期的稳定性，结合路面板施工环境与服役条件，可保证传感器安装使用的便捷性及与整体监测系统的适应性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的制备流程示意图；
图中：1-不锈钢片；2-不锈钢管；3-橡胶棒；4-单模光纤；5-第一光栅区域；6-第二光栅区域；7-尾纤孔。
具体实施方式
如图1-2所示，一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，所述传感器包括置于金属管内的弹性棒；所述弹性棒表面开有光纤缠绕槽；所述光纤缠绕槽内设有紧贴于弹性棒表面的光纤；所述光纤尾端设有未与弹性棒表面接触的自由端FBG2；所述自由端FBG2处设有用于温度补偿的第一光栅区域5；光纤缠绕槽内的光纤中段FBG1处设有第二光栅区域6；所述第一光栅区域、第二光栅区域的中心波长不同。
所述光纤为单模光纤4。
所述第一光栅区域、第二光栅区域的长度为10mm；所述传感器精度控制在0.01mm以下，量程≥1mm。
所述弹性棒为橡胶棒；所述金属管为不锈钢管；不锈钢管的一端处设有用于引出自由端FBG2的尾纤孔7。
所述不锈钢管2两端以不锈钢片1遮蔽；所述橡胶棒3的两端与不锈钢管两端的不锈钢片接触。
所述不锈钢管两端的不锈钢片对橡胶棒施以压力并形成预应力。
所述传感器埋设于路面板的面层、基层，并根据需要监测的力学行为和信息组成基于物联网技术的路基路面传感监测网，所述路基路面传感监测网用于对路面板的物理状态、力学响应、结构变形指标进行观测。
所述光纤位移传感器与实时采集装置相连；所述实时采集装置经所述光纤位移传感器采集路面板、路基的监测数据并以无线传输设备把数据上传至远端处理机构处。
所述光纤位移传感器的制备包括以下步骤；
步骤S1：将橡胶棒两端进行打磨处理，使两端端面水平、光滑；
步骤S2：将橡胶棒进行平滑刻槽处理，以防止光纤在槽内错动。随后将光纤缠绕于槽内；使光纤尽量紧贴橡胶棒表面；
步骤S3：将缠绕好的光纤固定好，分别在光纤靠近橡胶棒两侧的端头与光栅区域两端均匀涂上调配好的胶粘剂，等待其固化；
步骤S4：取1个不锈钢片，在圆片中心均匀涂抹胶粘剂。待其固化一部分后，将橡胶棒置于胶粘剂中心，待胶粘剂全部固化完成，本步骤中需要保证橡胶棒与不锈钢片的垂直；
步骤S5：将橡胶棒穿过一端已开好半圆形的尾纤孔的不锈钢管，保持钢管中轴与橡胶棒中轴重合，并用胶粘剂把不锈钢片固定于不锈钢管管口处；本步骤需要保护光纤在橡胶棒外作为温度补偿的第一光栅区域，并防止自由端FBG2光纤沾到胶粘剂影响补偿精度；
步骤S6：把光纤尾端从尾纤孔牵出，用塑料管及绝缘胶带密封好，保持伸出的光纤尾端处于自由、不受力的状态，避免被胶粘剂固定住；
步骤S7：取另一个不锈钢片，按照步骤S4的方法完成不锈钢钢管另一端的不锈钢片安装，同时确保安装该不锈钢片后的橡胶棒比不锈钢管略长；
步骤S8：对超出不锈钢管的橡胶棒这一端施加预应力，加载时注意使橡胶棒受力均匀，并保持橡胶棒与钢片垂直；待此端的不锈钢片触及不锈钢管端部后，用胶粘剂将该不锈钢片固定于不锈钢管管端处。
实施例1：
本例制备光纤位移传感器采用的材料为：2片不锈钢片，尺寸为Φ40mm×5mm；1个空心不锈钢管，尺寸为Φ22mm×1.5mm×120mm；
深圳市江悦塑胶有限公司生产的聚氨酯橡胶棒，尺寸为Φ15mm×122mm，泊松比为0.47；
深圳市航嘉光通科技有限公司生产的单模石英光纤，弹光系数Pe为0.22，光纤接头为FC/APC标准接头；
改性聚丙烯酸胶粘剂；塑料管及绝缘胶带。
实施例2：
本例中的光纤位移传感器以预埋方式实施，光纤位移传感器底座为圆形平面，底部用环氧树脂固定，位移计整体绑扎于螺杆上即可。
具体为：在基层浇筑前，先在原有面板上做好标记，用电锤在原有面板上的特定位置钻好洞，插入与洞口直径相当的螺杆，保持螺杆与水平面垂直，用少量水泥砂浆将螺杆固定。待水泥砂浆凝固后，将位移传感器与螺杆绑扎牢固。基层浇筑与振捣时，注意尽量避开传感器的位置，避免损坏传感器。
实施例3：
实施例2中的预埋传感器，在面板翘曲时橡胶棒随之形变，使单模光纤的相应光传输指标发生改变，实时采集装置与单模光纤相连，通过测量单模光纤的指标变化，来评估面板翘曲的形变量。
Claims (6)
1.一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述传感器包括置于金属管内的弹性棒；所述弹性棒表面开有光纤缠绕槽；所述光纤缠绕槽内设有紧贴于弹性棒表面的光纤；所述光纤尾端设有未与弹性棒表面接触的自由端FBG2；所述自由端FBG2处设有用于温度补偿的第一光栅区域；光纤缠绕槽内的光纤中段FBG1处设有第二光栅区域；所述第一光栅区域、第二光栅区域的中心波长不同；
所述光纤为单模光纤；
所述第一光栅区域、第二光栅区域的长度为10mm；所述传感器精度控制在0.01mm以下，量程≥1mm；
所述弹性棒为橡胶棒；所述金属管为不锈钢管；不锈钢管的一端处设有用于引出自由端FBG2的尾纤孔。
2.根据权利要求1所述的一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述不锈钢管两端以不锈钢片遮蔽；所述橡胶棒的两端与不锈钢管两端的不锈钢片接触。
3.根据权利要求2所述的一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述不锈钢管两端的不锈钢片对橡胶棒施以压力并形成预应力。
4.根据权利要求2所述的一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述传感器埋设于路面板的面层、基层，并根据需要监测的力学行为和信息组成基于物联网技术的路基路面传感监测网，所述路基路面传感监测网用于对路面板的物理状态、力学响应、结构变形指标进行观测。
5.根据权利要求4所述的一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述光纤位移传感器与实时采集装置相连；所述实时采集装置经所述光纤位移传感器采集路面板、路基的监测数据并以无线传输设备把数据上传至远端处理机构处。
6.根据权利要求2所述的一种监测早龄期面板翘曲行为的光纤位移传感器，其特征在于：所述光纤位移传感器的制备包括以下步骤；
步骤S1：将橡胶棒两端进行打磨处理，使两端端面水平、光滑；
步骤S2：将橡胶棒进行平滑刻槽处理，以防止光纤在槽内错动；
随后将光纤缠绕于槽内；使光纤尽量紧贴橡胶棒表面；
步骤S3：将缠绕好的光纤固定好，分别在光纤靠近橡胶棒两侧的端头与光栅区域两端均匀涂上调配好的胶粘剂，等待其固化；
步骤S4：取1个不锈钢片，在圆片中心均匀涂抹胶粘剂；
待其固化一部分后，将橡胶棒置于胶粘剂中心，待胶粘剂全部固化完成，本步骤中需要保证橡胶棒与不锈钢片的垂直；
步骤S5：将橡胶棒穿过一端已开好半圆形的尾纤孔的不锈钢管，保持钢管中轴与橡胶棒中轴重合，并用胶粘剂把不锈钢片固定于不锈钢管管口处；本步骤需要保护光纤在橡胶棒外作为温度补偿的第一光栅区域，并防止自由端FBG2光纤沾到胶粘剂影响补偿精度；
步骤S6：把光纤尾端从尾纤孔牵出，用塑料管及绝缘胶带密封好，保持伸出的光纤尾端处于自由、不受力的状态，避免被胶粘剂固定住；
步骤S7：取另一个不锈钢片，按照步骤S4的方法完成不锈钢钢管另一端的不锈钢片安装，同时确保安装该不锈钢片后的橡胶棒比不锈钢管略长；
步骤S8：对超出不锈钢管的橡胶棒这一端施加预应力，加载时注意使橡胶棒受力均匀，并保持橡胶棒与钢片垂直；待此端的不锈钢片触及不锈钢管端部后，用胶粘剂将该不锈钢片固定于不锈钢管管端处。
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- 2019-07-22 CN CN201910662064.0A patent/CN110220472B/zh active Active
Patent Citations (3)
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