[发明专利]基于同轴电缆法布里‑珀罗干涉传感的智能钢绞线、制备方法及其监测方法

说明书

技术领域

本发明属于工程结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线、制备方法及其监测方法。

背景技术

钢绞线广泛应用于预应力混凝土、桥梁拉索(如斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆、悬索桥和索道的缆索)、岩土和边坡支护的锚杆及大跨结构的索网等结构中。由于设计构造、环境腐蚀、疲劳积累等原因，钢绞线容易生锈腐蚀和疲劳损伤，而钢绞线恰恰又是这些结构的主要承力部件，关乎整个结构的安全与运营状态，要及时发现失效先兆预防突发事故就必须对钢绞线服役期间的应力应变状态进行全寿命过程的监测。早期用于钢绞线局部应力监测的手段主要包括千斤顶油压表、电测试传感器和磁通量传感器及加速度间接测试等技术，这些传统方法存在耐久性和稳定性差、可操作性差、易受环境噪声干扰等缺点，难以实现对钢绞线应力的长期实时在线监测。随着光纤传感技术的发展，国内外许多学者应用光纤传感技术对钢绞线应力监测进行了研究，其中欧进萍、周智等人在这方面进行了较为系统的研究，他们将光纤光栅(OFBG)嵌入纤维增强树脂(FRP)中制作成FRP-OFBG智能筋，再与钢绞线复合研发出FRP-OFBG智能钢绞线。该智能钢绞线可实现局部应力的高精度监测，但无法测到全尺度的应力分布情况。随后基于布里渊分布式传感技术，将光纤(OF)嵌入FRP制作成FRP-OF智能筋，再与钢绞线复合研发出FRP-OF智能钢绞线。该智能钢绞线弥补了FRP-OFBG智能钢绞线的不足，可实现对钢绞线应力的全尺度分布式监测。这两种光纤传感型智能钢绞线为实现钢绞线应力状态的在线实时监测提供了良好的技术手段，但受光纤本身材质的制约，它们的测试量程有限，难以进行钢绞线失效破坏全过程的应力监测。

近年来，基于同轴电缆与光纤具有相同电磁场理论机制的认识，Hai Xiao、周智等人在同轴电缆上发展了光纤用作感知元件的机理，研制出同轴电缆法布里-珀罗干涉(CCFPI)传感器，该传感器最为显著的特点是结实耐用，可实现分布式、大应变测量。针对光纤传感型智能钢绞线量程不足的问题，将CCFPI 传感器与FRP复合，制作出FRP-CCFPI智能筋，然后将其替换钢绞线中丝，研制FRP-CCFPI智能钢绞线。CCFPI传感器作为感知元件，监测FRP-CCFPI智能筋的轴向应变分布规律及其随荷载变化的关系，可得到FRP-CCFPI智能钢绞线的应力状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有智能感知特性，测试量程大，可分布测试，稳定性和耐久性好，且布设方便，成本低廉的基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线，以解决钢绞线从服役到失效破坏的全过程应力监测问题。

本发明的技术方案：

基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线，包括CCFPI传感器1、高延性金属箔片2、FRP-CCFPI智能筋3和钢绞线外丝4，至少一层高延性金属箔片2包裹在FRP-CCFPI智能筋3表面，FRP-CCFPI智能筋3与钢绞线外丝4捻线成型，FRP-CCFPI智能筋3位于钢绞线外丝4中间，CCFPI传感器1贯穿于 FRP-CCFPI智能筋3内并从两端穿出；

所述的CCFPI传感器1为直径为0.3-0.9mm的同轴电缆5，其上设有n个(n ≥2)反射点6；反射点6处同轴电缆5外套装有金属套管7，反射点6通过挤压金属套管7变形而成；同轴电缆5一端连接矢量网络分析仪，另一端连接负载；挤压反射点6处的金属套管7，挤压变形越大反射点的反射系数越大，采用矢量网络分析仪观察反射点的反射系数，控制各个反射点6的反射系数保持一致；定义CCFPI传感器的相邻两个反射点间的区段为单标距，所有反射点构成的区段为CCFPI传感器的传感段。

基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线的制作方法，步骤如下：

A.制作FRP-CCFPI智能筋3

将CCFPI传感器1与浸润环氧树脂的纤维一起送入拉拔模具，通过挤拉成型工艺制作成内部贯穿有CCFPI传感器的FRP-CCFPI智能筋；其中，FRP-CCFPI 智能筋的长度大于钢绞线外丝4的长度；

B.制作FRP-CCFPI智能钢绞线

在FRP-CCFPI智能筋表面包裹一层以上高延性金属箔片2，用FRP-CCFPI智能筋替换钢绞线的中丝，即为FRP-CCFPI智能钢绞线；

用基于同轴电缆法布里-珀罗干涉传感的智能钢绞线FRP-CCFPI智能钢绞线的监测方法，步骤如下：

A.单标距CCFPI传感器应变测量方法