适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器论文和设计-付传清

全文摘要

一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，支撑系统上布置光纤固定系统，径向应变测量传感器和环向应变测量传感器穿插入光纤固定系统中，径向应变测量传感器和环向应变测量传感器分别与信号解调系统连接，信号解调系统和数据采集系统连接。本实用新型提供了一种操作简单、试验周期短、成本低、能原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的光纤光栅传感器，提高结果的准确性和真实性，对深入研究由钢筋锈蚀引起的混凝土耐久性降低问题有至关重要的意义，为将来混凝土结构耐久性设计提供基础保障。

主设计要求

1.一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，所述支撑系统上布置所述光纤固定系统，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器穿插入所述光纤固定系统中，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器分别与所述信号解调系统连接，所述信号解调系统和所述数据采集系统连接。

设计方案

2.如权利要求1所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述支撑系统包括自适应框架系统、拉结系统、固定圆环和固定节点，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设所述固定节点，所述拉结系统与所述光纤固定系统交接处布设所述固定节点，所述固定圆环和所述拉结系统连接，所述拉结系统和所述自适应框架系统连接。

3.如权利要求1或2所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤固定系统包括径向固定系统和环向固定系统，所述光纤固定系统为中空管状结构，所述径向固定系统包括水平横向固定结构和垂直竖向固定结构，所述环向固定系统包括设定数量个圆心重叠、直径成相关倍数的圆环固定结构，所述圆环固定结构上方均开有一小孔，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器从所述小孔穿入所述圆环固定结构，沿所述圆环固定结构绕一圈后，再用高粘性胶水灌入所述小孔进行封装，所述径向固定系统叠放在所述环向固定系统上，再用高粘性胶水在叠放处粘结所述径向固定系统。

4.如权利要求1或2所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述径向固定系统表面使用螺纹加工技术，所述支撑系统和所述光纤固定系统一次融筑成型。

5.如权利要求2所述的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，其特征在于，所述自适应框架系统为稳定多边形结构，所述拉结系统使用若干道拉结固定结构，所述固定圆环和所述固定节点形状、尺寸均可变，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设的所述固定节点用于固定所述径向固定系统，所述拉结系统与所述光纤固定系统连接处布设的所述固定节点用于连接并固定所述环向固定系统。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于混凝土应变场监测领域，涉及一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器。

背景技术

混凝土作为当今世界最主要的建筑材料之一，因其取材、成本、生产工艺等方面的优势，应用十分广泛。不仅在各种土木工程中使用，在造船业、机械工业、海洋开发等工程中也是非常重要的材料。处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝土结构，钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。大量混凝土结构由于耐久性劣化造成严重的经济损失，还对当今世界能源供应、环境污染和可持续发展产生巨大压力和恶劣影响。

钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能退化，是由于产生腐蚀物质。腐蚀产物密度小于钢筋，在钢筋表面堆积并发生体积膨胀现象，在钢筋和混凝土间产生锈胀压力，导致钢筋外侧混凝土的开裂直至剥落。事实上，混凝土不仅在径向上承受膨胀力，在环向上还同时存在着拉应力。因此，钢筋锈蚀引起的混凝土开裂问题应从混凝土受多轴应力状态下的各项异性损伤出发进行研究。原位实时监测钢筋周围混凝土径向、环向锈裂应变场的变化，有助于统计钢筋锈蚀的各方面数据，为今后预测不同环境下钢筋混凝土的锈裂程度、锈裂时间提供依据。

中国专利授权公告号CN104567709A，授权公告日期是2015年1月14日，名称为“一种王字形的光纤光栅传感器贴片”；中国专利授权公告号 CN205561776U，授权公告日期是2016年9月7日，名称为“一种光纤光栅贴片式应变传感器”；中国专利授权公告号CN107218900A，授权公告日期是2017 年9月29日，名称为“一种基于光纤光栅应变感测技术的PCCP应变测试方法”，三件实用新型申请中均采用布置贴片式光纤光栅传感器得到待测数据，该贴片式传感器虽然能实时监测径向的应变，但只能沿单一直线方向布置，不能得到沿钢筋环向的应变，不能真实反映钢筋锈胀时周围混凝土的环向应变场情况，无法得到准确、可靠的数据用以预测不同情况下钢筋混凝土的锈裂程度和锈裂时间。

实用新型内容

为了克服已有技术光纤光栅传感器的操作麻烦、试验周期较长、成本较高、无法原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的不足,本实用新型提供了一种操作简单、试验周期短、成本低、能原位实时监测钢筋周围混凝土径向和环向锈裂应变场变化的光纤光栅传感器，提高结果的准确性和真实性，对深入研究由钢筋锈蚀引起的混凝土耐久性降低问题有至关重要的意义，为将来混凝土结构耐久性设计提供基础保障。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，包括支撑系统、光纤固定系统、径向应变测量传感器、环向应变测量传感器、信号解调系统和数据采集系统，所述支撑系统上布置所述光纤固定系统，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器穿插入所述光纤固定系统中，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器分别与所述信号解调系统连接，所述信号解调系统和所述数据采集系统连接。

进一步，所述支撑系统包括自适应框架系统、拉结系统、固定圆环和固定节点，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设所述固定节点，所述拉结系统与所述光纤固定系统交接处布设所述固定节点，所述固定圆环和所述拉结系统连接，所述拉结系统和所述自适应框架系统连接。

再进一步，所述光纤固定系统包括径向固定系统和环向固定系统，所述光纤固定系统为中空管状结构，所述径向固定系统包括水平横向固定结构和垂直竖向固定结构，所述环向固定系统包括设定数量个圆心重叠、直径成相关倍数的圆环固定结构，所述圆环固定结构上方均开有一小孔，所述径向应变测量传感器和所述环向应变测量传感器从所述小孔穿入所述圆环固定结构，沿所述圆环固定结构绕一圈后，再用高粘性胶水灌入所述小孔进行封装，所述径向固定系统叠放在所述环向固定系统上，再用高粘性胶水在叠放处粘结所述径向固定系统。

更进一步，所述径向固定系统表面使用螺纹加工技术，所述支撑系统和所述光纤固定系统一次融筑成型。

所述自适应框架系统为稳定多边形结构，所述拉结系统使用若干道拉结固定结构，所述固定圆环和所述固定节点形状、尺寸均可变，所述固定圆环和所述自适应框架系统上等间隔一对一布设的所述固定节点用于固定所述径向固定系统，所述拉结系统与所述光纤固定系统连接处布设的所述固定节点用于连接并固定所述环向固定系统。

本实用新型中，采用环向、径向双轴测量钢筋周围混凝土锈裂情况，实时监测混凝土双轴锈裂应变场情况，并且可以根据所得锈裂应变数据预测不同情况下混凝土的锈裂程度和锈裂时间；本装置通过将径向应变测量传感器、环向应变测量传感器穿插入光纤固定系统中用高粘性胶水封装，保证了应变测量传感器在光纤固定系统中不发生变形和位移，影响待测位置锈裂应变的测量准确性；本装置在拉结系统与光纤固定系统连接处布设若干个固定节点，用于连接和固定环向固定系统，防止环向固定系统在混凝土浇筑时发生转动或位移；本装置通过对径向固定系统表面使用螺纹加工技术，将径向固定系统叠放在环向固定系统上，并用高粘性胶水粘结固定径向固定系统，以及在固定圆环和自适应框架系统上等间隔一对一布设固定节点拉直固定径向固定系统，保证了径向固定系统不会随混凝土浇筑在任何方向上发生位移，影响混凝土径向锈裂应变场的监测；本装置通过将光纤固定系统与支撑系统一次融筑成型，保证光纤固定系统与支撑系统位于同一平面，确保了支撑系统对光纤固定系统的支撑稳定效果；本装置将固定圆环卡设在钢筋上，保证本装置垂直于钢筋卡设在混凝土模板中，确保了光纤固定系统与混凝土界面紧贴，有效避免了混凝土浇筑时光纤光栅传感器移位的问题，提高了原位监测的精确性和结果的准确性；本装置可以通过改变径向应变测量传感器和环向应变测量传感器中光栅的栅距，尤其在传感器上每间隔若干距离制作参考标记，引起反射波长的信号变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出参考标记位置的应变情况，实现对混凝土锈裂应变场的实时监测，可控性好，精确度高；本装置若在同一根光纤中再写入多个光栅，构成传感阵列，且多写入的光栅对于应变不敏感，还可以同时测量多个物理量(温度、应力、浓度等)；本装置采用的自适应框架系统可以是四边形，或者更加稳定的六边形等多边形结构，可以更贴合、固定光纤环向固定结构；本装置采用的拉结系统可以在水平横向固定结构和垂直竖向结构之间使用一道或若干道拉结固定结构；本装置采用的固定圆环和固定节点形状、尺寸可以根据实际情况进行调节。

本实用新型的有益效果主要表现在：通过检测光纤光栅传感器中心波长的变化，实现对钢筋周围混凝土径向、环向锈裂应变场变化的实时监测，为今后预测不同条件下钢筋混凝土的锈裂程度和锈裂时间打下基础，具有结构简单，灵敏度高、防电磁干扰、便于安装、耐腐蚀的优点，有较好的推广应用价值。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的支撑系统的结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的光纤固定系统正视图。

图4为本实用新型涉及的光纤固定系统左视图。

图5为本实用新型涉及的光纤固定系统俯视图。

图6为本实用新型涉及的光纤固定结构的中空管状结构示意图。

图7为本实用新型实施例1提供的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器的结构原理示意图。

图8为本实用新型实施例2提供的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器的结构原理示意图。

图9为本实用新型实施例3提供的适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器的结构原理示意图。

图中：1—支撑系统；2—光纤固定系统；3—径向应变测量传感器；4—环向应变测量传感器；5—信号解调系统；6—数据采集系统；7—混凝土模板；11—自适应框架系统；12—拉结系统；13—固定圆环；14—节固定点；21—径向固定系统；22—环向固定系统；221—圆环固定结构；211—水平横向固定结构；212—垂直竖向固定结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图9，一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器，包括支撑系统1、光纤固定系统2、径向应变测量传感器3、环向应变测量传感器4、信号解调系统5、数据采集系统6，所述支撑系统1上布置所述光纤固定系统2，所述径向应变测量传感器3和所述环向应变测量传感器4穿插入所述光纤固定系统2中，所述径向应变测量传感器3和所述环向应变测量传感器4分别与所述信号解调系统5连接，所述信号解调系统5和所述数据采集系统6连接。

所述支撑系统1包括自适应框架系统11、拉结系统12、固定圆环13和固定节点14，所述自适应框架系统11可以使用四边形、六边形等稳定多边形结构，所述拉结系统12可以使用若干道拉结固定结构，所述固定圆环13和所述固定节点14形状、尺寸均可变，所述固定圆环13和所述自适应框架系统11上等间隔一对一布设若干个所述固定节点14用于固定所述径向固定系统21，所述拉结系统12与所述光纤固定系统2交接处布设若干个所述固定节点14用于连接并固定所述环向固定系统22，所述固定圆环13和所述拉结系统12连接，所述拉结系统12 和所述自适应框架系统11连接，所述支撑系统1由高强度合金材料一次熔铸成型。

所述光纤固定系统2包括径向固定系统21、环向固定系统22，所述光纤固定系统2为中空管状结构，所述径向固定系统21包括水平横向固定结构211、垂直竖向固定结构212，所述径向固定系统21表面使用螺纹加工技术，所述环向固定系统22包括若干个圆心重叠、直径成相关倍数的圆环固定结构221，所述圆环固定结构221上方均开有一小孔，所述径向应变测量传感器3和所述环向应变测量传感器4从所述小孔穿入所述圆环固定结构221，沿所述圆环固定结构221绕一圈后，再用高粘性胶水灌入所述小孔进行封装，所述径向固定系统21叠放在所述环向固定系统22上，再用高粘性胶水在叠放处粘结所述径向固定系统21，所述光纤固定系统2由高硬度纤维增强复合材料一次模压成型。

所述支撑系统1和所述光纤固定系统2一次融筑成型。

一种适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器的试验方法，包括以下步骤：

第一步：装置的准备：根据所需浇筑试件的形状和尺寸，预埋在试件中所需钢筋的类型、直径和位置，确定支撑系统1的形状和尺寸，支撑系统1中固定圆环13的形状和直径、圆环固定结构211的环距、所需圆环固定结构211的个数；分别确定径向应变测量传感器3和每个圆环固定结构211中穿插的环向应变测量传感器4中光纤光栅的长度、栅距、测量步距和准确度，制作得到一个适用于原位实时监测钢筋周围混凝土实时锈裂应变场及锈裂预测的光纤光栅传感器装置。

第二步：试件浇筑前的准备：将若干个光纤光栅传感器用支撑系统1中固定圆环13每隔一段距离卡设在钢筋上，保证传感器不会在混凝土试件浇筑时发生移位，共计所需光纤光栅传感器的个数；放置时支撑系统1框架外边紧贴混凝土模具7内壁，保证光纤光栅传感器整个平面垂直于钢筋摆放；将径向应变测量传感器3和每个圆环固定结构211中的环向应变测量传感器4的光纤光栅分别与若干导线连接，导线小心有序安放到混凝土模具7外侧，防止混入混凝土模具7中被破坏。

第三步：制备混凝土试件：确定混凝土原材料性质与配合比，振捣后，在混凝土模具7中进行浇筑并密实，操作过程中注意调整传感器平面始终垂直于钢筋摆放；混凝土成型后拆模，将试件放置在标准条件下进行28天养护；将养护好的混凝土取出，每个光纤光栅传感器用若干根导线跟一个信号解调系统5连接，共计所需信号解调系统5的个数；将信号解调系统5跟数据采集系统6用导线连接。

第四步：数据采集：打开信号解调系统5和数据采集系统6的开关，控制初始应变值调零后，使用通电加速锈蚀装置或其他试验方法对钢筋进行锈蚀操作，开始进行对钢筋周围混凝土径向、环向锈裂应变场变化的原位实时监测，记录采集通电开始至混凝土锈裂破坏过程的数据，通过试验可以得到该试件钢筋周围混凝土径向、环向的锈裂应变数据，最终得到钢筋混凝土的锈裂程度和锈裂时间。

下面以原位实时监测水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子:粗骨料＝1.0:0.53:2.0:3.0的混凝土在内置光纤光栅传感器后钢筋周围混凝土环向锈裂应变场情况为例，对本实用新型的工作做具体说明。

该实施例拌制混凝土的原材料为：水泥为P.I 52.5级波特兰水泥，砂采用细度模数为2.64的天然河砂，粗骨料采用5～20mm连续级配的碎石，水采用实验室自来水。试件尺寸为棱柱体100mm×100mm×400mm，在试件左侧中间部位预埋一根直径为12mm的HPB300钢筋，保护层厚度为20mm。

在浇筑混凝土前，首先按图2～图6和图9配置装置零部件。根据所需浇筑的试件尺寸100mm×100mm×400mm，预埋在试件左侧中间部位的一根直径为 12mm的HPB300钢筋，保护层厚度为20mm，确定支撑系统1为40mm×40mm 的正四边形结构，支撑系统1中固定圆环13为直径12.1mm的圆形结构、布置一个圆环固定结构211且与钢筋外侧距离为10mm；根据圆环固定结构211仅布置一个，确定固定圆环13和自适应框架系统11上不布置固定节点14，拉结系统12 与光纤固定系统2交接处布置四个固定节点14用于固定圆环固定结构211；确定圆环固定结构211中穿插的环向应变测量传感器4中光纤光栅的光纤光栅的长度为314.2mm、栅距为40μm、测量步距0.1μm和准确度为±5με。因为相对于整个混凝土试件，光纤光栅传感器尺寸较小，需要在支撑系统1基础上增大框架将传感器外支架四边紧贴整个混凝土模具7内壁，所以选择制作如图9所示的支撑框架1。其次分别用铝合金材料一体熔铸支撑系统1、用聚酯玻璃钢材料一次模压光纤固定系统2，最后将所述支撑系统1和所述光纤固定系统2一次融筑成型，制作得到一个适用于原位实时监测钢筋周围混凝土实时锈裂应变场及锈裂预测的光纤光栅传感器装置。

在浇筑混凝土时，先将钢筋用铁丝拉紧固定在混凝土模具7左侧中间部位，保护层厚度为20mm。然后将光纤光栅传感器装置用支撑系统1中固定圆环13每隔90mm距离卡设在钢筋上，令起始距离和结束距离均为20mm，保证传感器不会在混凝土试件浇筑时发生移位，共计所需光纤光栅传感器装置四个；放置时支撑系统1框架四边紧贴混凝土模具7内壁，保证光纤光栅传感器整个平面垂直于钢筋摆放；将径向应变测量传感器3和环向应变测量传感器4中的光纤光栅分别与两根和一根导线连接，三根导线小心有序安放到混凝土模具7外侧，防止混入混凝土模具7中被破坏。最后将混凝土倒入混凝土模具7中，振捣密实，操作过程中注意调整传感器平面始终垂直于钢筋摆放；混凝土一天龄期后成型拆模，放置在标准条件下进行28天养护；将养护好的混凝土取出，每个光纤光栅传感器用三根导线跟一个信号解调系统5连接，共计所需信号解调系统5四个；将四个信号解调系统5跟一个数据采集系统6用导线连接。

打开信号解调系统5和数据采集系统6的开关，控制初始应变值调零后，使用通电加速锈蚀装置或其他试验方法对钢筋进行锈蚀操作，开始进行对钢筋周围混凝土环向锈裂应变场变化的原位实时监测，记录采集通电开始至混凝土锈裂破坏过程的数据，通过试验可以得到该试件钢筋周围混凝土环向的锈裂应变数据，则所得混凝土锈裂应变的试验参数和试验结果如表1所示，反映了该混凝土环向的锈裂应变变化和锈裂状态。

表1

具体实施时，本实用新型对具体的装置零部件型号不做限制，对混凝土试件尺寸、钢筋类型和直径不做限制，只要能完成上述功能的光纤光栅传感器装置和混凝土试件均可。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思能够想到的等同技术手段。

设计图

适用于监测钢筋周围混凝土锈裂应变场的光纤光栅传感器论文和设计

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