[发明专利]一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器

说明书

本发明公开了一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，包括管口相对依次设置的第一毛细钢管和第二毛细钢管，第一毛细钢管和第二毛细钢管内依次穿过两端对折后的裸光纤，裸光纤的光纤弯曲段位于第一毛细钢管外部，裸光纤的两个端部位于第二毛细钢管的外部，其中，位于第二毛细钢管内部的裸光纤与第二毛细钢管内壁固定为一体，第一毛细钢管和第二毛细钢管管内径均为1.5～3mm，本发明解决了现有技术中存在的光纤传感器灵敏度较差、对微小裂缝的发生监测效果较差的问题。

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器。

背景技术

裂缝是判断混凝土结构健康状况的重要指标，裂缝的存在将直接破坏结构的整体性，还可能引起结构内部钢筋锈蚀，威胁结构的安全运行。因此，及时、准确地监测到裂缝的发生，实时监控裂缝的发展状况极为重要。而在实际工程中，不同建筑物及不同工作环境使其对裂缝监测具有不同要求，对于一些混凝土结构，出现微小裂缝时就应当引起足够重视，及时采取相应工程措施，这就要求传感器具有较高的灵敏度，及时监测到裂缝的发生；而对于另一些混凝土结构而言，微小裂缝对结构安全运行影响不大，但需对裂缝开合度进行持续监测，防止裂缝发展到具有危险性的开度，这需要传感器在保证一定灵敏度的条件下还应具有较大的量程。因此，研究可适应不同工程实际的裂缝传感器很有必要。而传统的电测传感器普遍存在耐久性较差、易受电磁干扰、安装难度大、量程及灵敏度单一等缺点，难以满足不同工程实际的监测要求。近几年来，光纤传感器以其质量轻、电绝缘、抗电磁干扰和耐腐蚀等优点，受到了国内外学者的广泛关注^[1-9]。

光纤传感器按光波在光纤中被调制的不同方式可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型和波长调制型等几种类型^[10]。其中基于光纤弯曲损耗原理的光纤裂缝传感器属于强度调制型光纤传感器，光纤弯曲损耗是光纤的弯曲半径小于光纤的临界弯曲半径引起的附加损耗。近年来，随着研究的不断深入，基于光纤弯曲损耗原理的光纤传感器在结构裂缝及位移监测方面已取得了大量研究成果。在早些年，有学者在考虑了各种弯曲半径、光纤圈数、额外弯曲角度和波长的情况下，提出了一种简单的光纤传感器弯曲损耗计算公式，且与实验数据吻合较好，并给出了光纤弯曲损耗灵敏度的简化公式^[11]。李川等^[12]提出了一种分布式光纤双向应变-位移传感器，采用OTDR通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量，传感器位移监测量程为3mm。近几年，罗志会等^[13]通过将光纤螺旋缠绕在刻槽橡胶棒上的方式，提出了一种大量程分布式光纤传感器，采用OTDR定位位移发生位置和分析位移大小，传感器最大量程为17mm，但传感器精度及存活率受埋设工艺影响较大。包腾飞等^[14]通过将无保护层的光纤缠绕打结形成弯曲设计了一种新型大量程裂缝光纤传感器，该传感器基于光纤弯曲损耗原理，可对混凝土结构裂缝进行持续性监测，但存在灵敏度较差的问题，对微小裂缝的发生监测效果较差。程琳等^[15]提出了一种齿轮传动型光纤位移传感器，使得光纤弯曲损耗与位移之间呈良好线性关系，但灵敏度受光纤缠绕轴直径限制较大。李明昊等^[16]基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种U型缠绕式光纤位移传感器，该传感器理论量程可达120mm，但在实际使用中由于光纤始终处于拉伸状态，在较大位移时光纤易被拉断。

基于以上光纤裂缝传感器在实际应用中的不足，本发明基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种灵敏度和量程可控的光纤传感器，通过有机玻璃板模拟裂缝实验确定了传感器的技术指标，并通过实验对传感器性能进行了测试，评价了传感器的工作性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，解决了现有技术中存在的光纤传感器灵敏度较差、对微小裂缝的发生监测效果较差的问题。