一种光纤光栅内置式预应力复合材料的制作方法

1.本实用新型属于复合材料技术领域，尤其涉及一种光纤光栅内置式预应力复合材料。


背景技术：

2.预应力纤维复合材料具有质量轻、强度高、良好的抗腐蚀性能、良好的抗拉性能等优点，在建筑物加固领域具有巨大的优势，尤其是在桥梁加固中已得到了广泛的使用。
3.为监测预应力加固系统中受力结构的应力的变化情况，往往采用应变传感器对受力结构的形变进行测量，进而计算得到预应力系统的实际应力数值。目前，测量方法主要有两种，一种为直接在拟测量部位外贴应变传感器，如应变片、基片式或封装式的光纤光栅应变传感器对受力结构的形变进行测量。另一种为将光纤光栅直接埋入预应力纤维复合材料中，对预应力加固系统中受力结构的应力进行测量。
4.然而，直接外贴应变传感器虽然简单，但是由于长期暴露在户外环境中，其耐久性及数据的长期稳定性都较差。将光纤光栅直接埋入预应力纤维复合材料中，虽然可以真实地测量出加固系统的应力情况，但是预应力纤维复合材料在实际工况中往往受到较大的应力，在使用光纤光栅传感器埋入预应力纤维复合材料时，由于光纤光栅长期处于较高应力应变的状态，尤其是被加固件承受疲劳应力时，光纤光栅传感器的使用寿命会大大降低，从而无法对预应力纤维复合材料进行长期监测。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供了一种光纤光栅内置式预应力复合材料，以解决目前光纤光栅传感器埋入预应力纤维复合材料时的使用寿命降低的问题。
6.为实现上述目的，本技术实施例提供了一种光纤光栅内置式预应力复合材料，该预应力复合材料包括预应力纤维复合材料、以及内置于纤维复合材料内的光纤光栅传感器和加热电阻丝，光纤光栅传感器设置在加热电阻丝的加热范围内；
7.加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均引出至预应力复合材料的外部；
8.光纤光栅传感器的外周设有涂覆层，在加热电阻丝被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态。
9.在一种可能的实现方式中，预应力复合材料内至少设有1根加热电阻丝，且加热电阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处或下方铺层处。
10.在一种可能的实现方式中，预应力复合材料内至少设有2根加热电阻丝，且一部分加热电阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处，其余的加热电阻丝布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的下方铺层处。
11.在一种可能的实现方式中，预应力复合材料内设有多根加热电阻丝，多根加热电
阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器的四围。
12.示例性的，多根加热电阻丝均匀的布设在光纤光栅传感器的四围。
13.示例性的，加热电阻丝的形状为蛇形曲线。
14.在一种可能的实现方式中，加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均从预应力复合材料的同一侧引出。
15.在一种可能的实现方式中，涂覆层的材料为丙烯酸酯类材料，第一预设温度大于等于100℃，且小于等于120℃。
16.在一种可能的实现方式中，预应力纤维复合材料包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。
17.示例性的，当预应力纤维复合材料为碳纤维复合材料时，加热电阻丝为表面经过绝缘处理后的电阻丝。
18.本技术实施例提供的光纤光栅内置式预应力复合材料，包括预应力纤维复合材料、以及内置于纤维复合材料内的光纤光栅传感器和加热电阻丝，光纤光栅传感器设置在加热电阻丝的加热范围内。且光纤光栅传感器的外周设有涂覆层，在加热电阻丝被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态。光纤光栅传感器表面涂覆层在加热后，由玻璃态转化成高弹态后会与预应力纤维复合材料发生脱锚，从而光纤光栅传感器就可以在复合材料内滑移，即可降低光纤光栅传感器承受的应变。当停止加热后温度重新降低，光纤光栅传感器的涂覆层重新硬化，使光纤光栅传感器与预应力复合材料之间重新形成锚固，从而提高光纤光栅传感器的疲劳寿命。
附图说明
19.图1是本实用新型提供的一种光纤光栅内置式预应力复合材料的结构示意图；
20.图2是本实用新型提供的一种加热电阻丝的结构示意图；
21.图3是本实用新型提供的一种加热电阻丝的布设位置示意图。
具体实施方式
22.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
23.为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
24.桥梁、隧道、大坝等建筑物会随着使用时间的增加、材料出现老化，环境腐蚀以及自然灾害等的影响，导致承载能力降低，严重时还会造成不可估量的损伤。因此，预应力纤维复合材料尤其是预应力碳纤维板或碳纤维筋，广泛应用于建筑加固领域，尤其是桥梁加固中。
25.为了监测预应力加固系统中受力结构的预应力变化情况，往往采用应变传感器对受力结构的形变进行测量。正如背景技术中所描述的，较为简单的方法是在欲测量部位直接外贴应变传感器，如应变片、基片式或封装式的光纤光栅应变传感器。然而在实际应用中，一方面由于预应力加固材料往往长期暴露在户外环境中，较为严酷的环境会使外贴式
传感器的耐久性以及数据的长期稳定性受到严重的挑战。另一方面，经过封装的传感器虽然耐候性有一定提高，但封装材料的阻隔同样会影响外贴应变传感器的灵敏度与迟滞性。
26.因此，近年来将光纤光栅直接埋入预应力复合材料中的监测方法受到了关注。将光纤光栅直接埋入预应力复合材料内部，一方面能够更真实地测量出材料实际的应力情况，同时光纤光栅也会受到复合材料本身的保护，在耐候性等方面更为出色。然而预应力复合材料在实际工况中往往会受到较大的应力，因此在使用光纤光栅对预应力复合材料进行监测时，其光纤光栅自身将长期处于大应力或大应变的状态。如预应力碳纤维板正常工作状态下其伸长率往往高于0.6％，对应光纤光栅的微应变为6000，而市场普遍采用的光纤光栅的量程为10000微应变左右。而光纤光栅长期处于大应变状态下，尤其是被加固构件承受疲劳应力时，其疲劳寿命成指数级下降，严重影响了光纤光栅传感器在长久监测预应力复合材料领域的应用。
27.为了解决现有技术问题，本实用新型提供了一种光纤光栅内置式预应力复合材料。
28.一种光纤光栅内置式预应力复合材料，包括预应力纤维复合材料、以及内置于该纤维复合材料内的光纤光栅传感器和加热电阻丝。
29.光纤光栅传感器设置在加热电阻丝的加热范围内，加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均引出至预应力复合材料的外部。此外，在光纤光栅传感器的外周还设有涂覆层，在加热电阻丝被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态。
30.当光纤光栅传感器表面的涂覆层在加热后，由玻璃态转化成高弹态后会与预应力纤维复合材料发生脱锚，从而光纤光栅传感器就可以在复合材料内滑移，即可降低光纤光栅传感器承受的应变。当停止加热后温度重新降低，光纤光栅传感器的涂覆层重新硬化，使光纤光栅传感器与预应力复合材料之间重新形成锚固，从而提高光纤光栅传感器的疲劳寿命。
31.在此实施例中，光纤光栅传感器为埋入式传感器，加热电阻丝也是埋入式的，即在预应力复合材料拉挤成型的过程中，将光纤光栅传感器和加热电阻丝均直接埋入至预应力复合材料的内部一体成型。
32.在一些实施例中，为了能够准确地利用光纤光栅解调仪准确测量光纤光栅的波长，可选用经过切趾技术处理的光纤光栅，其具有较高的边模抑制比≥15db，以及具有较尖锐的信号峰形，有利于光纤光栅解调仪准确测量光纤光栅的波长。
33.在一些实施例中，可以通过测试跳线将光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪连接，从而即可观察到当加热电阻丝被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态时，通过解调仪监测光纤光栅传感器的波长数据。
34.在一些实施例中，可以将加热电阻丝与可控制电压与功率的电源使用导线进行连接，从而即可实现对加热电阻丝进行加热。加热时温度使用可调压电源控制，温度控制范围为高于涂覆层软化温度并低于复合材料受热损坏的温度。例如，在使用丙烯酸酯类涂覆层时，温度可以控制在100℃-120℃，适宜用于拉挤成型的复合材料中。
35.在一些实施例中，为了尽量减少预应力复合材料的引出端，可以将加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均从预应力复合材料的同一侧引出。
36.在此实施例中，可将加热电阻丝设为u型埋入预应力复合材料内部，从而可以使加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均从预应力复合材料的同一侧引出。
37.如图1所示，一种光纤光栅内置式预应力复合材料，包括预应力纤维复合材料10、以及内置于该纤维复合材料10内的光纤光栅传感器20和加热电阻丝30。光纤光栅传感器20设置在加热电阻丝30的加热范围内，加热电阻丝30的2个引出端子、以及光纤光栅传感器20的光纤接口端均引出至预应力复合材料的外部。此外，在光纤光栅传感器的外周还设有涂覆层，在加热电阻丝30被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态。
38.光纤光栅传感器20包括光纤光栅的栅区21，以及除光纤光栅的栅区以外的头纤与尾纤。其中，头纤段为光纤光栅的栅区到预应力复合材料的光纤接口端的光纤，为从预应力复合材料中引出的那一端。尾纤段为光纤光栅的栅区到完全埋入到预应力复合材料的光纤光栅的尾部的光纤。
39.在一些实施例中，由于实际需求以及复合材料的成型工艺的不同，对于手糊成型与模压成型等工艺制备复合材料时，可以在纤维材料铺层时较随意的布置光纤光栅传感器以及加热电阻丝。
40.在一些实施例中，为了保证对光纤光栅传感器进行加热，可在预应力复合材料内至少布设1根加热电阻丝，且加热电阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处或下方铺层处。当然，也可以将加热电阻丝布设在光纤光栅传感器的左侧或右侧。
41.在此实施例中，为了保证加热的效果，可以采用预先定形的加热电阻丝铺设在光纤光栅需加热部位的上方与下方铺层处。预先定形是为了增大加热电阻丝的受热面积，可以更好地对光纤光栅传感器进行加热。如图2所示，可以为蛇形的加热电阻丝30，也可以为经过反复弯曲的s型电阻丝，此处对加热电阻丝的形状不做设定，只要能够增加加热电阻丝的面积均可以使用。
42.此外，为了进一步增大受热面积，可以对光纤光栅传感器更加均匀的加热，减少栅区残余应力的出现，可以在预应力复合材料内至少设2根加热电阻丝，且一部分加热电阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处，其余的加热电阻丝布设在光纤光栅传感器需要被加热的部位的下方铺层处。
43.在一些实施例中，为了更近一步地保证光纤光栅传感器的受热，可以在预应力复合材料内设有多根加热电阻丝，多根加热电阻丝沿光纤光栅传感器的延伸方向布设在光纤光栅传感器的四围。
44.在此实施例中，如图3所示，为了进一步保证加热的效果，可将多根加热电阻丝30均匀的布设在光纤光栅传感器20的四围。
45.在一些实施例中，预应力纤维复合材料包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。需要说明的是，当预应力纤维复合材料为碳纤维复合材料时，加热电阻丝为表面经过绝缘处理后的电阻丝。
46.本实用新型通过在光纤光栅传感器附近埋入加热电阻丝对其进行加热，使光纤光栅传感器在张拉状态下与接触的预应力纤维复合材料发生脱离，当温度降低后再次重新粘
接为一体结构，从而可以降低光纤光栅传感器在长期监测预应力复合材料时处于较低应变状态，从而提高光纤光栅传感器的使用寿命。通过采用直接将加热电阻丝埋入的方式，在加热处理仅需进行通电即可加热，且满足各种尺寸规格产品的加热，无需使用大型外部加热设备。此外，由于加热处理时光纤光栅传感器的回缩，还可以使得光纤光栅传感器的检测最大量程提高。
47.本实用新型提供的光纤光栅内置式预应力复合材料的加热过程可以在预应力施工前进行，也可以在预应力施工后进行，此处不做限定，根据实际应用场景不同，选用不同的处理方式。
48.如果在施工前对预应力复合材料进行预加热处理，并在整个预处理过程中可以使用光纤光栅解调仪对光纤光栅传感器的波长进行监测。
49.首先，使用张拉机构对预应力复合材料进行张拉，在张拉至一定应力时停止张拉，并保持张拉力不变。然后，对加热电阻丝通电，并使用调压电源控制加热温度。在加热过程中可以监测光纤光栅传感器的波长变化。开始升温时由于光纤光栅与预应力复合材料仍锚固在一起，随着温度的增加光纤光栅的波长会逐渐上升，当加热到一定温度后涂覆层软化，由玻璃态转化成高弹态，光纤光栅传感器与预应力复合材料之间脱锚，光纤光栅传感器失去约束后自发回缩，即可降低传感器的应变，此时可观察到光纤光栅传感器的波长下降。一段时间后光纤光栅传感器的波长不再下降，稳定在某一数值附近，此时停止加热。待预应力复合材料降至室温后移除对其施加的荷载，此时预应力复合材料由拉伸状态回缩至初始状态，而光纤光栅传感器由于在加热时已经发生回缩，此时随着预应力复合材料的回缩光纤光栅进一步被压缩，最终光纤光栅传感器停留在被压缩的状态。至此预应力复合材料的加热处理结束，就可以正常进行预应力安装施工。由于光纤光栅传感器在经过预加热处理时的压缩施工张拉后，光纤光栅传感器会处于较低的应变状态，因此可以提高光纤光栅传感器的使用寿命。
50.如果在施工后进行加热处理，加热的过程与进行预加热处理的过程类似，其不同点在于，在预应力复合材料经过张拉施工并完全固定后进行加热，停止加热后不再卸载预应力复合材料承受的荷载，即光纤光栅传感器在温度降低后与预应力复合材料重新锚固后就进入长期监测的状态。由于在加热过程中光纤光栅传感器发生了回缩，因此其长期监测时承受的应变较低，使光纤光栅传感器的使用寿命得到提高。
51.预加热处理可以使预应力复合材料在施工张拉过程中测量得到的波长与长期监测的波长值在数值上保持连贯性。而如果在施工后进行加热处理则会导致施工张拉得到的波长数据与长期监测的波长数据不具有连贯性，但是在施工后进行加热处理可减少预处理对复合材料进行张拉的操作。
52.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本实用新型实施例的实施过程构成任何限定；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，该预应力复合材料包括预应力纤维复合材料、以及内置于所述纤维复合材料内的光纤光栅传感器和加热电阻丝，所述光纤光栅传感器设置在所述加热电阻丝的加热范围内；所述加热电阻丝的2个引出端子、以及所述光纤光栅传感器的光纤接口端均引出至所述预应力复合材料的外部；所述光纤光栅传感器的外周设有涂覆层，在所述加热电阻丝被加热至所述涂覆层达到第一预设温度范围内、所述涂覆层由玻璃态转化成高弹态。2.如权利要求1所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述预应力复合材料内至少设有1根加热电阻丝，且所述加热电阻丝沿所述光纤光栅传感器的延伸方向布设在所述光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处或下方铺层处。3.如权利要求1所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述预应力复合材料内至少设有2根加热电阻丝，且一部分所述加热电阻丝沿所述光纤光栅传感器的延伸方向布设在所述光纤光栅传感器需要被加热的部位的上方铺层处，其余的加热电阻丝布设在所述光纤光栅传感器需要被加热的部位的下方铺层处。4.如权利要求1所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述预应力复合材料内设有多根加热电阻丝，所述多根加热电阻丝沿所述光纤光栅传感器的延伸方向布设在所述光纤光栅传感器的四围。5.如权利要求4所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述多根加热电阻丝均匀的布设在所述光纤光栅传感器的四围。6.如权利要求2或3所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述加热电阻丝的形状为蛇形曲线。7.如权利要求2至5任一项所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述加热电阻丝的2个引出端子、以及所述光纤光栅传感器的光纤接口端均从所述预应力复合材料的同一侧引出。8.如权利要求1所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述涂覆层的材料为丙烯酸酯类材料，所述第一预设温度大于等于100℃，且小于等于120℃。9.如权利要求1所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，所述预应力纤维复合材料包括碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料或芳纶纤维复合材料。10.如权利要求9所述的光纤光栅内置式预应力复合材料，其特征在于，当所述预应力纤维复合材料为碳纤维复合材料时，所述加热电阻丝为表面经过绝缘处理后的电阻丝。

技术总结
本实用新型提供了一种光纤光栅内置式预应力复合材料，该预应力复合材料包括预应力纤维复合材料、以及内置于纤维复合材料内的光纤光栅传感器和加热电阻丝，光纤光栅传感器设置在加热电阻丝的加热范围内；加热电阻丝的2个引出端子、以及光纤光栅传感器的光纤接口端均引出至预应力复合材料的外部；光纤光栅传感器的外周设有涂覆层，在加热电阻丝被加热至涂覆层达到第一预设温度范围内、涂覆层由玻璃态转化成高弹态。本实用新型提供的预应力复合材料内的光纤光栅传感器具有较高的疲劳寿命。内的光纤光栅传感器具有较高的疲劳寿命。内的光纤光栅传感器具有较高的疲劳寿命。


技术研发人员：张行方 黄鹏 徐志涛 申琛昕 宿博康 徐温 罗仕刚
受保护的技术使用者：卡本科技集团股份有限公司
技术研发日：2022.12.23
技术公布日：2023/8/13