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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 混凝土材料封裝的混合量程FBG應(yīng)變、裂紋傳感器
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目研發(fā)了一種采用混凝土作為封裝材料的光纖光柵（FBG）應(yīng)變傳感器，其內(nèi)部含有純光纖光柵、微彈簧固結(jié)的光纖光柵以及溫度傳感光柵。本傳感器克服了現(xiàn)有此類傳感器所存在的封裝材料導(dǎo)致誤差、測(cè)量應(yīng)變量程小等問題，能夠精確地監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部小應(yīng)變、大應(yīng)變乃至裂紋。該傳感器能夠?qū)蛄?、大壩、公路、高層建筑大型混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部關(guān)鍵部位應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控其服役期間的安全狀況，避免重大事故的發(fā)生。
- 詳細(xì)介紹：
- 橋梁、大壩、公路、高層建筑等大型混凝土結(jié)構(gòu)在長期災(zāi)害性因素作用下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)變，甚至產(chǎn)生裂紋，極端情況下甚至?xí)l(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此應(yīng)該對(duì)大型混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部關(guān)鍵部位應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控其服役期間的安全狀況，避免重大事故的發(fā)生。 FBG應(yīng)變傳感器是一種基于光纖光柵(FBG)技術(shù)的新型傳感器，被廣泛應(yīng)用于大型混凝土健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。但現(xiàn)有此類傳感器的封裝材料會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，且無法監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部裂紋?？朔F(xiàn)有傳感器的不足，本項(xiàng)目研發(fā)了一種采用混凝土作為封裝材料的FBG應(yīng)變傳感器，其內(nèi)部含有純光纖光柵、微彈簧固結(jié)的光纖光柵以及溫度傳感光柵，三組光柵聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)了高低精度互補(bǔ)工作，能夠以混合量程較為精確地監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部小應(yīng)變、大應(yīng)變乃至裂紋。 對(duì)研發(fā)的傳感器進(jìn)行了預(yù)張拉穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明傳感器內(nèi)光纖光柵的預(yù)張拉可以保持在一穩(wěn)定水平。然后對(duì)傳感器內(nèi)與微彈簧固結(jié)的大量程光纖光柵進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果顯示，該光纖光柵的布拉格波長同應(yīng)變具有非常好的線性關(guān)系，且最大拉伸長度遠(yuǎn)大于純光纖光柵的極限張拉范圍，可以對(duì)大應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最后，對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果顯示，傳感器內(nèi)兩組光柵的布拉格波長與應(yīng)變具有非常好的線性關(guān)系。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：精確地監(jiān)測(cè)路面、橋梁、大壩、高層建筑等大型混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部關(guān)鍵部位應(yīng)變與裂紋，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控其安全狀況。 創(chuàng)新點(diǎn)：1.傳感器采用與被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)相同的材料進(jìn)行封裝，克服了不同材料不同的彈性模量對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，測(cè)量結(jié)果精確；2.傳感器內(nèi)部埋設(shè)了彈簧光柵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大應(yīng)變、大裂紋的有效監(jiān)測(cè)；3.傳感器內(nèi)部純光纖光柵、彈簧光纖光柵、溫度傳感光柵的聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高低精度互補(bǔ)工作，對(duì)大小應(yīng)變進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，解決了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。4.傳感器中光柵均在大標(biāo)距下工作，有效工作范圍增加，克服了偶然因素對(duì)監(jiān)測(cè)可能造成的比較大的影響。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.現(xiàn)有的光纖光柵（FBG)傳感器多采用復(fù)合材料、金屬等非混凝土材料作為封裝材料，由于此類材料的彈性模量與待測(cè)環(huán)境中的混凝土彈性模量不一致，所以此類傳感器會(huì)使其附近區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致其測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果與真實(shí)值存在較大差異。而本項(xiàng)目研制新型傳感器采用混凝土材料進(jìn)行封裝，克服了封裝結(jié)構(gòu)彈性模量不匹配帶來的測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果更加精確。2.由于光纖光柵本身拉伸長度限制，現(xiàn)有光纖光柵應(yīng)變傳感器只能監(jiān)測(cè)微小應(yīng)變。但對(duì)于路面等受外界荷載較大的混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部往往產(chǎn)生很大的應(yīng)變，甚至產(chǎn)生裂紋，現(xiàn)有傳感器將不能滿足監(jiān)測(cè)需求。而本項(xiàng)目研制的新型傳感器內(nèi)部埋設(shè)有彈簧光柵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大應(yīng)變、大裂紋的有效監(jiān)測(cè)。3.現(xiàn)有傳感器只能對(duì)混凝土內(nèi)部應(yīng)變進(jìn)行單精度測(cè)量，且忽略了溫度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。而本項(xiàng)目研制的新型傳感器內(nèi)部三組光柵聯(lián)合作用，既實(shí)現(xiàn)了高低精度互補(bǔ)，可對(duì)大小應(yīng)變進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，又實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，解決了測(cè)量時(shí)溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精確。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 科技查新報(bào)告（報(bào)告編號(hào)：201036000L050326） 大連理工大學(xué)第八屆“攀登杯”科技競(jìng)賽暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽選拔賽 一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、模型、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本傳感器采用與被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)相同的材料進(jìn)行封裝，克服了不同材料不同的彈性模量對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，測(cè)量結(jié)果精確：傳感器內(nèi)部埋設(shè)了彈簧光柵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大應(yīng)變、大裂紋有效監(jiān)測(cè)；傳感器內(nèi)部三組光柵聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高低精度互補(bǔ)，對(duì)大小應(yīng)變進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，解決了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量結(jié)果更加精確。 現(xiàn)如今國內(nèi)外缺少能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變、裂紋進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)的設(shè)備與手段。將本傳感器埋設(shè)于公路路面、大壩、重要建筑等混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，可以精確監(jiān)測(cè)其內(nèi)部應(yīng)變、裂紋，產(chǎn)業(yè)化前景極為看好。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)有的FBG應(yīng)變傳感器封裝方式 光纖光柵（FBG)是一種嶄新的傳感技術(shù)，由于其具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前正被廣泛應(yīng)用于大型混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。但是由于光柵光纖本身特別纖細(xì)，在用于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行封裝。光纖應(yīng)變傳感器的封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足以下要求：(1)封裝后的傳感器要具備良好的重復(fù)性和線性度；(2)必須給光纖光柵提供足夠的保護(hù)，確保封裝結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度；(3)封裝結(jié)構(gòu)必須具備良好的穩(wěn)定性，以滿足長期使用的要求；(4)封裝材料的應(yīng)變和溫度特性要與基底材料最佳匹配。本著這些要求，人們不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝、尋求新材料對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行封裝。 目前，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器的封裝方式主要為采用金屬材料封裝和采用復(fù)合材料封裝兩種。但是現(xiàn)有封裝技術(shù)制備的傳感器主要存在封裝材料導(dǎo)致誤差、測(cè)量應(yīng)變量程小等問題，無法滿足工程需求。 1 金屬封裝的FBG應(yīng)變傳感 1.1 不銹鋼管封裝 不銹鋼管管式封裝：先將空心不銹鋼管固定；然后將光纖光柵穿過鋼管；均勻灌入粘結(jié)劑，使其完全充滿鋼管，保證光纖光柵處于鋼管的中心，同時(shí)施加一定的預(yù)應(yīng)力使光纖平直；最后加熱使粘結(jié)劑凝固即可。 1.2 銅片封裝 銅片封裝結(jié)構(gòu)：將光纖光柵用雙組分的膠封裝在刻有細(xì)槽的錒片內(nèi)部，保證光纖光柵平直并位于細(xì)槽的地面中軸線上。分別在兩端加上保護(hù)套，而保護(hù)套可以固定在銅片兩端預(yù)先加工的開孔內(nèi)。 1.3 鋼片封裝 封裝結(jié)構(gòu):厚度為2mm的工字型鋼片,中部鋼片寬5mm ,長100 mm。兩側(cè)鋼片寬20mm,長30mm。在中部鋼片的兩側(cè)各焊接厚度5mm,直徑20mm的圓形鋼片以增加封裝結(jié)構(gòu)與基體混凝土材料的錨固。 2 復(fù)合材料封裝的FBG應(yīng)變傳感器 碳纖維是一種比較優(yōu)秀的強(qiáng)化材料，由于其具有諸多優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析,選擇碳纖維復(fù)合材料作為FBG傳感器封裝材料。 此外，一些其他封裝材料如合金、玻璃鋼等也被使用。 盡管人們已經(jīng)利用上述的封裝方式制備出了性能較為優(yōu)良的FBG應(yīng)變傳感器，但是用這些傳感器監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)應(yīng)變時(shí)，傳感器封裝材料會(huì)給監(jiān)測(cè)的應(yīng)變結(jié)果帶來誤差；而且由于光纖光柵本身拉伸范圍限制，此類傳感器無法對(duì)混凝土內(nèi)大應(yīng)變乃至裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法滿足工程需要。
