基本信息
- 项目名称：
- 混凝土材料封装的混合量程FBG应变、裂纹传感器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目研发了一种采用混凝土作为封装材料的光纤光栅（FBG）应变传感器，其内部含有纯光纤光栅、微弹簧固结的光纤光栅以及温度传感光栅。本传感器克服了现有此类传感器所存在的封装材料导致误差、测量应变量程小等问题，能够精确地监测混凝土结构内部小应变、大应变乃至裂纹。该传感器能够对桥梁、大坝、公路、高层建筑大型混凝土结构内部关键部位应变状态进行监测，从而实时监控其服役期间的安全状况，避免重大事故的发生。
- 详细介绍：
- 桥梁、大坝、公路、高层建筑等大型混凝土结构在长期灾害性因素作用下，其内部会产生不同程度的应变，甚至产生裂纹，极端情况下甚至会引发灾难性的突发事故。因此应该对大型混凝土结构内部关键部位应变状态进行监测，从而实时监控其服役期间的安全状况，避免重大事故的发生。 FBG应变传感器是一种基于光纤光栅(FBG)技术的新型传感器，被广泛应用于大型混凝土健康监测领域。但现有此类传感器的封装材料会对监测结果产生影响，且无法监测混凝土内部裂纹。克服现有传感器的不足，本项目研发了一种采用混凝土作为封装材料的FBG应变传感器，其内部含有纯光纤光栅、微弹簧固结的光纤光栅以及温度传感光栅，三组光栅联合作用，实现了高低精度互补工作，能够以混合量程较为精确地监测混凝土结构内部小应变、大应变乃至裂纹。 对研发的传感器进行了预张拉稳定性试验，试验结果表明传感器内光纤光栅的预张拉可以保持在一稳定水平。然后对传感器内与微弹簧固结的大量程光纤光栅进行了标定试验，结果显示，该光纤光栅的布拉格波长同应变具有非常好的线性关系，且最大拉伸长度远大于纯光纤光栅的极限张拉范围，可以对大应变进行监测。最后，对传感器进行了标定试验，结果显示，传感器内两组光栅的布拉格波长与应变具有非常好的线性关系。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：精确地监测路面、桥梁、大坝、高层建筑等大型混凝土结构内部关键部位应变与裂纹，从而实时监控其安全状况。 创新点：1.传感器采用与被测混凝土结构相同的材料进行封装，克服了不同材料不同的弹性模量对监测结果的影响，测量结果精确；2.传感器内部埋设了弹簧光栅，实现了对大应变、大裂纹的有效监测；3.传感器内部纯光纤光栅、弹簧光纤光栅、温度传感光栅的联合应用，实现了高低精度互补工作，对大小应变进行有效监测，实现了温度补偿，解决了温度对测量结果的影响。4.传感器中光栅均在大标距下工作，有效工作范围增加，克服了偶然因素对监测可能造成的比较大的影响。
科学性、先进性
- 1.现有的光纤光栅（FBG)传感器多采用复合材料、金属等非混凝土材料作为封装材料，由于此类材料的弹性模量与待测环境中的混凝土弹性模量不一致，所以此类传感器会使其附近区域的应力场和应变场重新分布，导致其测得的应变结果与真实值存在较大差异。而本项目研制新型传感器采用混凝土材料进行封装，克服了封装结构弹性模量不匹配带来的测量误差，测量结果更加精确。2.由于光纤光栅本身拉伸长度限制，现有光纤光栅应变传感器只能监测微小应变。但对于路面等受外界荷载较大的混凝土结构，内部往往产生很大的应变，甚至产生裂纹，现有传感器将不能满足监测需求。而本项目研制的新型传感器内部埋设有弹簧光栅，实现了对大应变、大裂纹的有效监测。3.现有传感器只能对混凝土内部应变进行单精度测量，且忽略了温度对监测结果的影响。而本项目研制的新型传感器内部三组光栅联合作用，既实现了高低精度互补，可对大小应变进行有效监测，又实现了温度补偿，解决了测量时温度对测量结果的影响，监测结果更加精确。
获奖情况及鉴定结果
- 科技查新报告（报告编号：201036000L050326） 大连理工大学第八届“攀登杯”科技竞赛暨第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛选拔赛 一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无技术转让
作品可展示的形式
- 实物、模型、图纸、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本传感器采用与被测混凝土结构相同的材料进行封装，克服了不同材料不同的弹性模量对监测结果的影响，测量结果精确：传感器内部埋设了弹簧光栅，实现了对大应变、大裂纹有效监测；传感器内部三组光栅联合应用，实现了高低精度互补，对大小应变进行有效监测，实现了温度补偿，解决了温度对测量结果的影响，测量结果更加精确。 现如今国内外缺少能够对混凝土结构内部应变、裂纹进行精确监测的设备与手段。将本传感器埋设于公路路面、大坝、重要建筑等混凝土结构关键部位，可以精确监测其内部应变、裂纹，产业化前景极为看好。
同类课题研究水平概述
- 现有的FBG应变传感器封装方式 光纤光栅（FBG)是一种崭新的传感技术，由于其具有稳定性好、耐腐蚀、精度高等突出优点，目前正被广泛应用于大型混凝土结构健康监测领域。但是由于光栅光纤本身特别纤细，在用于混凝土结构应变监测时，需要对其进行封装。光纤应变传感器的封装结构应至少满足以下要求：(1)封装后的传感器要具备良好的重复性和线性度；(2)必须给光纤光栅提供足够的保护，确保封装结构要有足够的强度；(3)封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用的要求；(4)封装材料的应变和温度特性要与基底材料最佳匹配。本着这些要求，人们不断改进生产工艺、寻求新材料对光纤光栅传感器进行封装。 目前，FBG应变传感器的封装方式主要为采用金属材料封装和采用复合材料封装两种。但是现有封装技术制备的传感器主要存在封装材料导致误差、测量应变量程小等问题，无法满足工程需求。 1 金属封装的FBG应变传感 1.1 不锈钢管封装 不锈钢管管式封装：先将空心不锈钢管固定；然后将光纤光栅穿过钢管；均匀灌入粘结剂，使其完全充满钢管，保证光纤光栅处于钢管的中心，同时施加一定的预应力使光纤平直；最后加热使粘结剂凝固即可。 1.2 铜片封装 铜片封装结构：将光纤光栅用双组分的胶封装在刻有细槽的锕片内部，保证光纤光栅平直并位于细槽的地面中轴线上。分别在两端加上保护套，而保护套可以固定在铜片两端预先加工的开孔内。 1.3 钢片封装 封装结构:厚度为2mm的工字型钢片,中部钢片宽5mm ,长100 mm。两侧钢片宽20mm,长30mm。在中部钢片的两侧各焊接厚度5mm,直径20mm的圆形钢片以增加封装结构与基体混凝土材料的锚固。 2 复合材料封装的FBG应变传感器 碳纤维是一种比较优秀的强化材料，由于其具有诸多优点,经过多次试验和分析,选择碳纤维复合材料作为FBG传感器封装材料。 此外，一些其他封装材料如合金、玻璃钢等也被使用。 尽管人们已经利用上述的封装方式制备出了性能较为优良的FBG应变传感器，但是用这些传感器监测混凝土内应变时，传感器封装材料会给监测的应变结果带来误差；而且由于光纤光栅本身拉伸范围限制，此类传感器无法对混凝土内大应变乃至裂纹进行监测，无法满足工程需要。
