專利名稱：可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器及其布設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種既能保證光纖傳感器完好布設(shè)又能準(zhǔn)確測試的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器及其布設(shè)方法。
背景技術(shù)：
變形是工程結(jié)構(gòu)工作性態(tài)的直接表征形式，采取可靠措施監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)變形對評價工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、確保工程結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營具有重要意義。目前工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)主要包括常規(guī)大地測量技術(shù)(水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等)、全球定位系統(tǒng)變形測試技術(shù) (GPS)、衛(wèi)星遙感測試技術(shù)anSAR)、攝影測試技術(shù)、傳統(tǒng)電/磁式傳感測試技術(shù)(電阻應(yīng)變片、振弦應(yīng)變計等)以及光纖傳感監(jiān)測技術(shù)等。其中，電/磁式和光纖傳感技術(shù)具有成本低、 傳感器安裝方便、操作簡單、測試工作量與勞動強(qiáng)度小及易于實(shí)現(xiàn)自動化測試等優(yōu)點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變、裂縫等變形測試中得到了廣泛應(yīng)用，特別是近年來迅速發(fā)展起來的光纖傳感技術(shù)因具有敏感元件體積小、質(zhì)量輕、對結(jié)構(gòu)應(yīng)力場影響小、抗電磁干擾、測試穩(wěn)定/靈敏度高、耐久性好、便于實(shí)現(xiàn)分布式與實(shí)時在線測試以及集傳感和數(shù)據(jù)傳輸于一體等獨(dú)特優(yōu)勢，已成為重大工程結(jié)構(gòu)最為理想的安全監(jiān)測手段。然而，裸光纖特別纖細(xì)，質(zhì)地脆弱，抗剪能力差，直接將其作為傳感器用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中存在布設(shè)困難、成活率低等致命缺點(diǎn)，無法勝任實(shí)際工程結(jié)構(gòu)粗放式施工及惡劣的服役環(huán)境。因此，對裸光纖進(jìn)行封裝保護(hù)是實(shí)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)變形及安全監(jiān)測領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一個必要環(huán)節(jié)。目前工程實(shí)踐中采用毛細(xì)鋼管、工字型鋼柱、鋼/銅片、石英板、改性硅橡膠及纖維增強(qiáng)樹脂(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)等材料對裸光纖進(jìn)行封裝，研制開發(fā)出部分工程化光纖傳感器，對光纖敏感元件進(jìn)行了有效的保護(hù)，并大大提高傳感器布設(shè)效率和成活率。遺憾的是，封裝材料增大了光纖敏感元件的剛度，而直接布設(shè)容易破壞局部應(yīng)力場，導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)、傳感器容易損壞、不能拆卸等缺點(diǎn)，從而降低了光纖敏感元件的測試靈敏度和精度，進(jìn)而影響工程結(jié)構(gòu)變形測試的可靠性和長期穩(wěn)定性。因此，新型的光纖傳感器布設(shè)工藝，提高測試可靠性已成為工程結(jié)構(gòu)變形測試領(lǐng)域的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種適于光纖傳感器可拆卸、測試精確可靠的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器及其布設(shè)方法。本發(fā)明直接采用裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖作為變形敏感元件，在給定標(biāo)距下，將上述敏感元件與剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件和可拆卸式組合支座固定，構(gòu)建適于工程結(jié)構(gòu)變形測試需求的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器。傳感器安裝布設(shè)時，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于剛性連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件安裝布設(shè)過程中的剛性保護(hù)，從而提高裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件的布設(shè)效率和成活率。傳感器布設(shè)后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于無剛性連接的自由狀態(tài)，消除剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件剛度對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力場的影響，從而實(shí)現(xiàn)裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件柔性測試目的，確保工程結(jié)構(gòu)變形測試結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性，回避了變形類傳感器由于變形協(xié)調(diào)問題導(dǎo)致應(yīng)變傳遞的誤差修正工作。傳感器采用可拆卸式組合支座布設(shè)于待測結(jié)構(gòu)之中，在測試工作結(jié)束后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于剛性工作狀態(tài)，拆卸組合支座，實(shí)現(xiàn)變形傳感器的回收及重復(fù)使用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器包括內(nèi)部的裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件、外部的剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件及端部的可拆卸式組合支座。外部的剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件由兩根嵌套式剛性管和剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母組成，其中在一個剛性管上刻有限位槽，用于指示剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母調(diào)節(jié)移動，實(shí)現(xiàn)兩根嵌套式剛性管的剛性與柔性連接轉(zhuǎn)換；端部的可拆卸式組合支座由粘結(jié)式金屬傳力錨頭及傳感器底座組成，粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座之間采用螺母進(jìn)行連接。其中所述的嵌套式剛性管為不銹鋼管或塑料硬管。上述的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器的布設(shè)方法是(1)采用螺栓或環(huán)氧樹脂將端部的傳感器底座安裝于待測結(jié)構(gòu)中；(2)調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母的位置，使外部的嵌套式剛性管連接在一起；(3)采用螺栓將端部的粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座連接在一起；(4)傳感器布設(shè)后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母至嵌套式剛性管的限位槽內(nèi)；(5)在測試工作結(jié)束后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母使嵌套式剛性管處于剛性連接狀態(tài)，然后拆卸端部的粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座之間的連接螺栓，回收傳感器。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明直接采用裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖作為變形(應(yīng)變或裂紋)敏感元件，具有自身截面小、剛度低及對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力場影響小的顯著優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了光纖敏感元件的變形感知特性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件安裝布設(shè)與變形測試過程中的剛性/柔性轉(zhuǎn)換，確保裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件在剛性保護(hù)下進(jìn)行安裝布設(shè)，大大提高了布設(shè)效率及成活率；同時在變形測試時通過調(diào)節(jié)傳感器工作狀態(tài)，有效地消除剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件剛度對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力場的影響，實(shí)現(xiàn)裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件的柔性測試功能，從而提高了工程結(jié)構(gòu)變形測試的準(zhǔn)確性及可靠性，回避了變形類傳感器由于變形協(xié)調(diào)問題導(dǎo)致應(yīng)變傳遞的誤差修正工作。此外，本發(fā)明采用可拆卸式組合支座進(jìn)行傳感器安裝， 實(shí)現(xiàn)了傳感器回收及重復(fù)使用，降低了工程結(jié)構(gòu)變形測試成本。本發(fā)明實(shí)施裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于水利、交通、建筑等工程結(jié)構(gòu)的變形測試之中。


圖1是本發(fā)明的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器剖面圖。圖中1裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件；2第一嵌套式剛性管；3 第二嵌套式剛性管；4剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母；5限位槽；6粘結(jié)式金屬傳力錨頭；7傳感器底座；8跳線頭；9環(huán)氧樹脂；10螺栓。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1和圖2所示，該光纖傳感器包括 1裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件、2第一嵌套式剛性管、3第二嵌套式剛性管、4剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母、5限位槽、6粘結(jié)式金屬傳力錨頭、7傳感器底座、8跳線頭、9環(huán)氧樹脂以及10螺栓。該傳感器各部分之間的連接方法為首先采用環(huán)氧樹脂將兩個粘結(jié)式金屬傳力錨頭分別與第一、第二嵌套式剛性管連接；然后，將剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母放入第二嵌套式剛性管上，并依據(jù)限位槽標(biāo)識，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母使第一、第二嵌套式剛性管連接，形成剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件；之后，將裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件置入上述制作的剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件中，并采用環(huán)氧樹脂將裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件與粘結(jié)式金屬傳力錨頭連接；最后，將傳感器測試跳線頭與裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件熔接在一起。可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器的具體布設(shè)方法是首先，在待測結(jié)構(gòu)上安裝傳感器底座，底座與待測結(jié)構(gòu)之間可以采用環(huán)氧樹脂或螺栓進(jìn)行連接；然后，根據(jù)限位槽標(biāo)識，向第一嵌套式剛性管方向緩慢調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母的位置，對裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件施加一定的預(yù)張力，使其處于張緊狀態(tài)；之后，采用螺栓將傳感器端部的粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座連接，實(shí)現(xiàn)傳感器的剛性布設(shè)。傳感器布設(shè)后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母至限位槽內(nèi)，使第一、第二嵌套式剛性管分開，此時裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件處于無剛性保護(hù)的柔性狀態(tài)，然后將跳線頭與光纖傳感解調(diào)儀器連接，測試結(jié)構(gòu)變形。在測試工作結(jié)束后，依據(jù)限位槽標(biāo)識，向第一嵌套式剛性管方向緩慢調(diào)節(jié)剛性/ 柔性轉(zhuǎn)換螺母的位置，使第一、第二嵌套式剛性管連接，對裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件進(jìn)行剛性保護(hù)，然后拆除粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座之間的連接螺母，回收變形傳感器。
權(quán)利要求
1.一種可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器，其特征在于可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器包括內(nèi)部的裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件、外部的剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件及端部的可拆卸式組合支座；外部的剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件由兩根嵌套式剛性管和剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母組成，其中在一個剛性管上刻有限位槽，用于指示剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母調(diào)節(jié)移動，實(shí)現(xiàn)兩根嵌套式剛性管的剛性與柔性連接轉(zhuǎn)換；端部的可拆卸式組合支座由粘結(jié)式金屬傳力錨頭及傳感器底座組成，粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座之間采用螺母進(jìn)行連接。
2.權(quán)利要求1所述可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器的布設(shè)方法，其特征在于如下步驟，(1)采用螺栓或環(huán)氧樹脂將端部的傳感器底座安裝于待測結(jié)構(gòu)中；(2)調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母的位置，使外部的嵌套式剛性管連接在一起；(3)采用螺栓將端部的粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座連接在一起；(4)傳感器布設(shè)后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母至嵌套式剛性管的限位槽內(nèi)；(5)在測試工作結(jié)束后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換螺母使嵌套式剛性管處于剛性連接狀態(tài)， 然后拆卸端部的粘結(jié)式金屬傳力錨頭與傳感器底座之間的連接螺栓，回收傳感器。
全文摘要
一種可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器及其布設(shè)方法，屬于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。該光纖傳感器直接采用裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖作為變形敏感元件，在給定標(biāo)距下，將上述敏感元件與剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件和可拆卸式組合支座固定。傳感器布設(shè)時，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于剛性連接狀態(tài)。傳感器布設(shè)后，調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于無剛性連接的自由狀態(tài)，消除剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件剛度對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力場的影響，實(shí)現(xiàn)裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件柔性測試。本發(fā)明采用可拆卸式組合支座進(jìn)行傳感器安裝，實(shí)現(xiàn)了傳感器重復(fù)使用。本發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于產(chǎn)業(yè)化，可廣泛用于水利、交通、建筑等工程結(jié)構(gòu)的變形測試之中。
文檔編號G01B11/16GK102168951SQ201010601038
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者何建平, 周智, 歐進(jìn)萍, 黃明華 申請人:大連理工大學(xué)