一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋的制作方法

1.本实用新型涉及传感光纤技术领域，具体涉及一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋。


背景技术：

2.超弱光纤光栅作为光纤光栅传感光纤传感领域的新的类型，不仅继承了传统光纤光栅传感器特点，还具有对光信号传输时损耗小、机械强度高、复用能力强等优点，已经成为传感领域不可替代的研究方向之一。
3.江苏大学的leslie opoku（leslie opoku. 复合型cfrp土层锚杆的试验与数值分析研究[d].江苏大学,2021.）对碳纤维锚杆的传力机理和锚固性能进行了研究，显示了碳纤维复合型土层锚杆相比传统钢筋锚杆更具优势，可以较好的应用于实际工程。
[0004]
西安建筑科技大学的杜丽辉（杜丽辉. 碳纤维筋加固隧道衬砌性能试验与数值分析[d].西安建筑科技大学,2017.）对南瓦隧道进行了碳纤维筋加固设计，分析发现，使用碳纤维筋加固后效果良好，衬砌变形和应力控制在合理范围之内，有效提高隧道衬砌刚度和承载能力。
[0005]
武汉大学许良昊（许良昊. cfrp筋岩石锚杆锚固技术研究[d].武汉大学,2017.）采用具有优异性能cfrp筋代替金属锚杆杆体，试验发现cfrp锚杆极限承载值远大于设计荷载值，用cfrp锚杆替代传统钢筋应用于锚杆，将有望解决传统金属错杆在工程中耐久性、安全性不足问题。
[0006]
碳纤维增强聚合物复合材料因其优异的强度、重量和耐久性特性而被用于许多大型工程项目。因其优点众多，鼓励工程设计师在许多结构形式中使用这种材料。但其运行状态作为反映工程结构健康状况的一个重要窗口，对其进行实时监测不仅可对重大结构隐患进行预警，而且能够指导期维护，具有重要意义。
[0007]
基于超弱光纤光栅制作碳纤维筋，如果采取传统光栅封装工艺，先剥除传统涂覆层后再涂覆特种涂层，不仅会导致超弱光栅本身的强度优势丧失，而且无法满足于碳纤维筋制作工艺中模具所需温度以及后续固化温度要求，使超弱光纤光栅无法存活。
[0008]
在传统光纤光栅钢结构、树脂智能筋的封装中已有应用，如中国专利“一种拉索用的光纤光栅智能筋及拉索”（专利号：zl202220300378 .3）；中国专利“一种布里渊传感智能筋的制备装置及其制备流程
”ꢀ
（申请号：zl202111582934 .7）。但其在钢结构中通过锚固在拉索两端，依然存在光纤极其脆弱，剪切强度低，锚固过程中很容易发生断裂情况，通过光纤光栅技术监测拉索的索力，材料不同，与此同时也会导致拉索中空，强度降低，造成光纤测得值失真等问题，通过树脂槽拉伸光纤制作的智能筋，使其强度较裸光纤有所增强，但依然无法投入到高强度、应力大、恶劣环境的土木工程、桥梁、隧洞等领域监测。因此，亟需一种具有高强度、高比模、耐环境影响的智能筋来为大型工程安全监测保驾护航。


技术实现要素：

[0009]
针对现有超弱光纤光栅传感器普遍存在强度低、结构复杂、应变传递效果差、安装
困难等问题。本实用新型提供一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，避免了传统光纤中内涂层的蠕变影响，减小或消除制加强筋时的光谱啁啾或畸变。该加强筋将碳纤维优异的性能集于一体，具有强度高、应变量程大、重复性好、易于与大型结构融合等优点；在光纤光栅应变监测领域将有着广阔的应用前景。
[0010]
本实用新型采取的技术方案为：
[0011]
一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，包括刻写有多个超弱光纤光栅传感单元的光纤，所述光纤预涂覆耐高温涂层，所述光纤设置在碳纤维筋中，构成超弱光纤光栅碳纤维加强筋；所述光纤端部设有金属螺旋铠，金属螺旋铠部分伸入到碳纤维筋中。
[0012]
所述碳纤维筋由沿耐高温涂层的轴线复合碳纤维和酚醛树脂后高温模压成型。
[0013]
所述光纤包括纤芯、包层，由g .657类的光纤预制棒拉制而成。
[0014]
所述多个超弱光纤光栅传感单元采用拉丝塔工艺在线刻写制备而成。
[0015]
所述耐高温涂层直径大于0.35mm，耐温180℃以上。
[0016]
所述耐高温涂层采用改性丙烯酸酯、或者有机陶瓷涂层二次紫外涂覆而成。
[0017]
所述碳纤维筋的直径大于5mm，抗拉强度3000 mpa以上。
[0018]
所述碳纤维筋采用长度为5m模具，先将涂覆耐高温涂层的超弱光纤光栅沿模具轴线铺设，放入碳纤维和酚醛树脂浸渍后的预浸料，再加温、降温后固化成型。
[0019]
所述金属螺旋铠材料为不锈钢丝压扁而成，直径大于1mm，在加强筋所需长度的首、尾端预制0.1m，露出0.5m以上。
[0020]
所述超弱光纤光栅碳纤维加强筋嵌入到被测对象中，与超弱光纤光栅分析仪5连接，构成超弱光纤光栅传感系统，用于的应变或者温度场监测。
[0021]
本实用新型一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，技术效果如下：
[0022]
1）加强筋测点多，应变监测效果好：
[0023]
碳纤维加强筋的抗拉、抗压强度搞，其强度为3000mpa，由于特殊材料与纤芯材料和碳纤维筋相似，能消除了传统光纤的蠕变现象，应变传递效率高，重复性好，可用于静态或动态应变的测量；拉伸应变量程大于1％，线性度好。超弱光纤光栅的密度高，可以在0.5m以下分辨率获取加强筋上的应变，密集的应变测点可以重构加强筋的受力情况，可用于结构受力或形状的监测。
[0024]
2）易于安装、施工简单、运输方便：
[0025]
超弱光纤光栅碳纤维加强筋应变传递效率高，强度高，可以直接和被测对象采用机械结构锚固，无需从加强筋中剥离光纤，无需施加预应力，易于安装施工；智能加强筋直径较小、质量轻，运输过程中能耗显著降低、运输方便。
[0026]
3）结构简单，易于批量生产：
[0027]
超弱光纤光栅碳纤维加强筋与普通的frp光纤传感器类似，将光纤通过耐高温涂层涂覆后，直接经过碳纤维施工工艺就可以制得，且可以根据复杂形状的应用要求进行定制，能够形成复杂形状、易于安装场外工程和制造元件。克服了超弱光纤光栅的复核过程中的啁啾问题，使超弱光纤光栅碳纤维加强筋批量生产成为可能。
[0028]
4）耐环境影响、维护要求低：
[0029]
碳纤维具有高比模、耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，意味着超弱光纤光栅碳纤维加强筋寿命长，可用于恶劣环境长时间甚至永久监测。提高工程设施
耐久性，降低成本。
附图说明
[0030]
图1为本实用新型的超弱光纤光栅碳纤维加强筋截面示意图；
[0031]
其中：1-光纤；2-耐高温涂层；3-碳纤维筋；4-金属螺旋铠，5-超弱光纤光栅分析仪。
[0032]
图2为本实用新型的超弱光纤光栅碳纤维加强筋正截面示意图；
[0033]
其中：11-超弱光纤光栅传感单元 ；12-纤芯；13-包层；2-耐高温涂层；31-碳纤维，32-酚醛树脂；4为金属螺旋铠。
具体实施方式
[0034]
如图1、图2所示，一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，采用g .657光纤预制棒拉纤，免剥皮刻写超弱光栅阵列后，涂覆耐高温涂层2，达到耐高温和有一定强度的同时，且不影响光纤各方面性能，满足于碳纤维筋制作工艺中模具以及后续固化的温度要求，并在碳纤维模压成型工艺中将光纤做进碳纤维筋3中，制成超弱光纤光栅碳纤维加强筋。
[0035]
本实用新型一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，包括刻写有多个超弱光纤光栅传感单元11的光纤1，所述光纤1预涂覆耐高温涂层2，所述光纤1设置在碳纤维筋3中，构成超弱光纤光栅碳纤维加强筋；所述光纤1端部设有金属螺旋铠4，金属螺旋铠4部分伸入到碳纤维筋3中。对其接头用金属螺旋铠4进行保护，方便光纤引出及后期测试应用。
[0036]
所述碳纤维筋3由沿耐高温涂层2的轴线复合碳纤维31和酚醛树脂32后高温模压成型。
[0037]
所述光纤1包括纤芯12、包层13，由g .657类的光纤预制棒拉制而成，可抑制二次包覆产生的微弯损耗。例如，传统g .652光纤预制棒制作的光栅阵列，衰减大于50db/km，改用g .657光纤后，损耗大幅度降低，可制作公里级的超弱光纤光栅传感光纤。
[0038]
所述多个超弱光纤光栅传感单元11采用拉丝塔工艺在线刻写制备而成，间距可以灵活定制，优选0.5m。多个超弱光纤光栅传感单元11中心波长可以相同，也可以不同。
[0039]
所述多个超弱光纤光栅传感单元11反射率在0.001％~0 .1％，可以通过时分或波分复用构成密集的超弱光栅阵列。例如，为了方便解调，可以在波长1528nm～1568nm范围内，重复刻写波长1530nm、 1542nm、1554nm的光栅，光栅间隔大于1米，以方便时域上进行分辨。
[0040]
所述耐高温涂层2采用改性丙烯酸酯、或者有机陶瓷涂层二次紫外涂覆而成。所述耐高温涂层2直径大于0.35mm，耐温180℃以上。
[0041]
所述碳纤维筋3的直径大于5mm，抗拉强度3000 mpa以上。碳纤维筋3制作工艺为界面改性、预浸料制备、模压成型。通过长度为5m模具先将涂覆耐高温涂层2的超弱光纤光栅沿模具轴线铺设，放入碳纤维31和酚醛树脂32浸渍后的预浸料，再加温、降温后固化成型。涂覆耐高温涂层2的超弱光纤光栅在整个碳纤维制作工艺过程保持完好的形貌。耐高温涂层2有效减小热固化成型过程中碳纤维筋3收缩对光栅栅区影响。
[0042]
所述金属螺旋铠4材料为不锈钢丝压扁而成，直径大于1mm，进入碳纤维筋3约10cm左右；在加强筋所需长度的首、尾端预制0.1m，露出0.5m以上。保护光纤引出的同时，方便后
续光纤熔接测量。
[0043]
所述超弱光纤光栅碳纤维加强筋嵌入到被测对象中，如大型结构、滑坡体、桥梁、隧洞等，与超弱光纤光栅分析仪5连接，构成超弱光纤光栅传感系统，用于的应变或者温度场监测。超弱光纤光栅分析仪5型号：rs-hfbga-04。该系统的应变传感精度可达到1με。温度精度在0 .5℃，光纤批量制备工艺成熟，将会成为一种新型fbg传感器并投入到广泛场景应用。
[0044]
本实用新型一种超弱光纤光栅碳纤维加强筋，避免了传统光纤中内涂层的蠕变影响，减小或消除制加强筋时的光谱啁啾或畸变，该碳纤维加强筋具有强度高、应变量程大、重复性好、易于与大型结构融合等优点，将碳纤维优异的性能集于一身，在光纤光栅应变监测领域将有着广阔的应用前景。