大量程基于光纤光栅传感技术的钢筋锈蚀监测传感器

摘要

本发明公开了一种大量程基于光纤光栅传感技术的钢筋锈蚀监测传感器，其包括：由内层扇形垫板与外层扇形垫板组成的垂直于待测钢筋轴线的扇面、带有至少一段敏感光栅的光纤及弹性塑料外壳，所述塑料外壳设置于内层扇形垫板与外层扇形垫板所形成的扇面的两外侧。本发明的光纤微光栅式钢筋锈蚀应力传感器在海洋腐蚀环境中具有长期稳定性，可以在不影响氯离子渗透作用的情况下监测被测钢筋锈蚀膨胀应力的大小以及混凝土构件开裂的时间全过程，克服现有技术自能监测早期钢筋锈蚀情况，无法测量锈蚀膨胀应力的缺点，为科研和日常养护工作决策提供客观的依据和详细的数据，能实现远程监测，精度高，可靠性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应力传感器，属于传感器技术领域，尤其属于应用于土木工 程检测技术领域的应力传感器。

技术背景

钢筋锈蚀膨胀导致混凝土开裂结构破坏，影响结构物使用安全，钢筋锈蚀潜 伏期难以发现，混凝土开裂后宜尽早采取修复措施，但混凝土开裂往往也不容易 发现。钢筋混凝土耐久性极限状态的定义为：初始至钢筋锈蚀导致混凝土开裂到 一定的程度，对于预应力混凝土：初始至钢筋开始锈蚀，因此钢筋混凝土建筑中 （尤其是氯盐污染环境下）钢筋开始锈蚀的时间点很重要，是耐久性设计的关键 点；钢筋锈后至开裂的时间（T1）也对耐久性设计来说也非常关键，是耐久性 设计中重要的参数。

传统传感器采用电阻应变片或振弦频率测定应变、应变和位移，此类传感器 需要导线连接，埋置在混凝土中容易出现短路，一般存活率较低，恶劣环境中使 用寿命短，因此急需一种长期稳定性好，测量精度高，测量范围大，安装方便且 能全过程检测钢筋锈蚀膨胀混凝土开裂全过程的传感器。

目前也有用利用光纤监测钢筋锈蚀的装置，例如：公开号为CN102095677A， 公开日为2011年6月15日，发明名称为一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器 的中国发明专利申请公开了一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监 测方法，利用传感器内部埋设的钢筋和不锈钢段，由电化学工作站定期检测其极 化电流判断钢筋初始锈蚀时间，利用传感器内部铺设的环绕钢筋布置的传感光 纤，由分布式光纤传感技术实时监测光纤应变，并推断钢筋混凝土处于锈胀或锈 裂阶段，同时由标定曲线判断锈胀或锈裂程度。但该发明中在钢筋膨胀应力下光 纤受拉变形，由于光纤弹性模量高，只能用于监测早期钢筋锈蚀，而后期由于钢 筋锈蚀膨胀，容易导致光纤被拉断，因此一般量程不大。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，克服现有技术中传统传感器的不足，提供 一种在潮湿甚至海水环境中具有长期稳定性、大量程的钢筋锈蚀应力传感器。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种大量程基于光纤光栅 传感技术的钢筋锈蚀监测传感器，其包括：

由内层扇形垫板与外层扇形垫板组成的垂直于待测钢筋轴线的扇面，内层扇 形垫板的内圈环绕于待测钢筋之外周，内层扇形垫板外圈与外层扇形垫板内圈之 间留有径向间隙；及

带有至少一段敏感光栅的光纤，所述敏感光栅由金属套管包裹固定，所述金 属套管径向固定于内层扇形垫板与外层扇形垫板之间，所述光纤两端延伸至外层 扇形垫板之外与外部信号处理单元连接，位于两端之间的部分呈圆滑弧形弯曲固 定于内层扇形垫板与外层扇形垫板内部；及

弹性塑料外壳，所述塑料外壳设置于内层扇形垫板与外层扇形垫板所形成的 扇面的两外侧。

为了使传感器受压后均匀受力，所述敏感光栅有两段，分别由金属套管包裹 固定并相对于内层扇形垫板与外层扇形垫板所形成的扇面的中心线对称设置。

所述内层扇形垫板由两块内层扇形半垫板重叠而成，所述外层扇形垫板由两 块外层扇形半垫板重叠而成，两块内层扇形半垫板或两块外层扇形半垫板的重叠 接触面分别开设有凹槽，当两块内层扇形半垫板或两块外层扇形半垫板分别拼合 后所述凹槽成形为供所述金属套管及光纤穿过的通道。该结构的目的是为了方便 安装金属套管和光纤，可直接把金属套管夹置于两层垫板之间。

两段敏感光栅为具有不同栅格距离的敏感光栅，可分别反射频率不同的光 谱。

所述弹性塑料外壳设有与所述内层扇形垫板和外层扇形垫板固定连接的安 装孔，螺钉固定于安装孔后螺钉与孔壁之间的空隙以弹性胶填充，其主要作用是 隔离混凝土保护传感器，保证内层扇形半垫板受压应力后能传递给金属套管，保 证传感器的敏感性。

所述传感器还包括用于捆绑固定在被测钢筋上的钢丝或尼龙扎带。

优选地，所述的内层扇形垫板或外层扇形垫板的圆心角为90度，以便可以 同时使用多个监测传感器。

进一步地，所述监测传感器成对设置在垂直于待测钢筋轴线的某一截面上， 并中心对称，以适用于不同的应用环境。

本发明按被测钢筋截面轮廓设计，被测钢筋锈蚀后发生膨胀，挤压传感器内 层扇形半垫板，压缩金属套管和光纤敏感光栅部位，改变光栅的空间距离，反射 光频率改变转化为光信号，通过光纤传输，可以实现远端测量，并且精度高，可 靠性好。由于光纤自身具有较高的弹性模量，在受压的条件下，变形不大，故在 钢筋开始锈蚀产生挤压应力，直到钢筋锈蚀到一定程度导致钢筋周围混凝土开裂 而产生应力松弛等过程均能监测到，因此本发明具有监测量程大，长期稳定性， 结构简单合理，安装使用方便等优点。

相较于现有技术而言，本发明的光纤微光栅式钢筋锈蚀应力传感器在海洋腐 蚀环境中具有长期稳定性，可以在不影响氯离子渗透作用的情况下监测被测钢筋 锈蚀膨胀应力的大小以及混凝土构件开裂的时间全过程，克服现有技术自能监测 早期钢筋锈蚀情况，无法测量锈蚀膨胀应力的缺点，为科研和日常养护工作决策 提供客观的依据和详细的数据，能实现远程监测，精度高，可靠性好。

附图说明

图1是本发明钢筋锈蚀监测传感器沿钢筋方向的结构示意图。

图2是本发明钢筋锈蚀监测传感器沿钢筋截面方向的结构示意图。

图3是是本发明钢筋锈蚀监测传感器安装于钢筋上的截面剖示图。

图4是本发明钢筋锈蚀监测传感器分解构造示意图，其包括内、外层扇形半垫板 各2块、弹性塑料外壳各2块、带光纤光栅的光纤、金属套管、螺栓及螺母、钢 丝

内层扇形垫板1  内层扇形半垫板1.1  金属套管凹槽1.2  光纤凹槽1.3  安 装孔1.4  外层扇形垫板2  外层扇形半垫板2.1  金属套管凹槽2.2  光纤凹 槽2.3  安装孔2.4  光纤3  第一敏感光栅3.1  第二敏感光栅3.2  金属套 管4  螺柱连接件5  螺栓5.1  螺母5.2  塑料外壳6  壳片6.1  安装孔6.2   钢丝7  钢筋8

具体实施方式

下面结合具体附图和实施方案对本发明作进一步说明。

如图1～4所示为固定安装于钢筋外的本发明的钢筋锈蚀应力传感器，其包括 内层扇形垫板1与外层扇形垫板2组成的垂直于钢筋8轴线的扇面、光纤3、金 属套管4、弹性塑料外壳6和钢丝7等。

其中，内层扇形垫板1的内圈环绕于待测钢筋8之外周，内层扇形垫板与外 层扇形垫板留有径向间隙。所述内层扇形垫板1由两块内层扇形半垫板1.1重叠 而成，所述外层扇形垫板2由两块外层扇形半垫板2.1重叠而成，两块内层扇形 半垫板1.1的接触面分别铣有相应的光纤凹槽1.3及金属套管凹槽1.2，两块外层 扇形半垫板2.1的接触面分别铣有相应的光纤凹槽2.3及金属套管凹槽2.2，当两 块内层扇形半垫板1.1及两块外层扇形半垫板叠放在一起时，拼合后的凹槽成形 为供所述金属套管及光纤穿过的通道。

本例中，光纤3带有两段敏感光栅，即第一敏感光栅3.1和第二敏感光栅3.2， 敏感光栅由金属套管4包裹固定，敏感光栅与金属套管之间用环氧树脂固定。光 纤3沿上述光纤通道穿过外层扇形垫板2后弧形弯曲固定于内层扇形垫板并从外 层扇形垫板的另一端向外部延伸并与外部信号处理单元连接。两段敏感光栅栅格 空间距离不同，因此反射光频率也不同，能同时监测两根金属套管所受压应力大 小。光纤弯曲部位最小半径不能低于该材料的限制值，以防增加光损耗。

弹性塑料外壳6由形状相同的两块组成，设置于内层扇形垫板与外层扇形垫 板所形成的扇面的两外侧。为了组装传感器，内层扇形垫板1、外层扇形垫板2 和弹性塑料外壳6均开设有相对的安装孔1.4、2.4、6.2，螺栓5.1和螺母5.2将 弹性塑料外壳与内、外层扇形垫板固定连接起来，孔隙处以弹性胶填充，其主要 目的是为了隔离混凝土，保证传感器的敏感性，使得内层扇形垫板1可以在混凝 土固化后仍然可以因钢筋锈蚀膨胀而相对于弧形垫板2发生位移。

钢筋锈蚀应力传感器可通过钢丝或尼龙扎7带简易地预先固定在被测钢筋8 上，然后浇筑混凝土。

作为一种实施方式，所述传感器弧形垫板1、2为1/4圆弧形，即圆心角为 90度的扇形，可根据不同被测钢筋直径设计有不同的尺寸规格，内层扇形半垫 板1能够紧贴被测钢筋表面，用钢丝或尼龙扎带7固定，可以单个使用也可以多 个联合使用。内层扇形垫板1和外层扇形垫板2采用强度较高的钢材，由于外层 扇形垫板2受外部混凝土的限制，在被测钢筋8膨胀应力作用下内、外层扇形垫 板之间只发生相对位移而不发生过大的弹性变形或弯曲。

为了使得被测钢筋8膨胀应力转换为光纤光栅3.1、3.2压应变，采用内外两 层垫板1、2间夹有金属套管4，把光纤光栅3.1、3.2用环氧树脂固定在金属套 管4内，与金属套管4变形协调。

钢筋锈蚀应力传感器使用步骤如下：

1．把钢筋锈蚀应力传感器用钢丝7或尼龙扎带固定在钢筋8上。

2．混凝土模板上应设置光纤引出孔，任何位置光纤弯曲半径不应小于该光纤材 料的限制值，光纤露出模板部分应盘好后用塑料薄膜包裹保护。

3．浇注混凝土时注意浇注点的位置应远离传感器所在部位，切勿在传感器上方 倾斜混凝土，防止传感器发生位移或旋转甚至破坏。

4．振捣时振捣棒避免与传感器或光纤发生接触，应保持200mm以上的距离。

5．模板拆除时注意保护光纤的完整性，防止破坏光纤。

6．采用光纤光栅光谱仪扫描光纤反射光或投射光频率，从而测定传感器所受膨 胀应力的大小。