專利名稱：一種基于光纖傳感的分布式高精度自監測frp筋/索的規模化制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明是一種基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化生產工藝，屬于 智能結構材料及傳感監測的技術領域。
(二)
背景技術：
連續纖維增強聚合物復合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)具有強度高、密度小、 耐久性好等優點，因此，認為是可以在土木工程結構中代替鋼材的優良選擇。目前用于實 際工程的纖維主要碳纖維、玻璃纖維、紡輪纖維和玄武巖纖維，纖維與聚合物可以復合成 筋/索材、板材以及其他各種形式的型材。其中，FRP筋受到了研究者的廣泛關注。國內， 東南大學、福州大學等一些科研單位對FRP筋/索的基本力學性能及其增強結構的性能展 開了比較系統的研究。然而，FRP材料是一種各向異性材料，而且完全線彈性，故FRP筋 /索存在抗剪能力差、脆性破壞等缺陷。對FRP筋/索實現全壽命周期的準確監測，可以積 極促進這種高技術材料在實際工程中的廣泛應用。
分布式光纖傳感技術因其測試的分布性、網絡性、穩定性等優點，近年來被不斷應用 結構健康監測。目前國際上分布式光纖傳感技術依據其測試原理的差異主要分為強度型(如 微彎型光纖)、干涉性(如SOFO系統)和散射型(如基于布里淵散射的測試系統)等。其 中基于布里淵散射機理的BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectry)、 BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis)等傳感技術由于其在溫度、應變的測試精度高、 信息全面以及測試距離長等方面的巨大優勢，受到了各國研究者的青睞。自1989年 Horiguchi等人提出首次分別提出了利用布里淵光的頻移特性作為分布式應變和溫度傳感 以來，經過近二十年的發展，測試的空間分辨率達到lOcm，應變測試精度士6網，溫度測 試精度1°C。
將分布式傳感光纖復合進FRP筋/索，形成一種智能結構材料，即自監測FRP筋/索。 這樣不僅使脆弱的光纖在實際使用時得到很好的保護，同時能夠對FRP筋/索進行有效的 實時監測，提高這種高強度、高耐久性的線彈性材料在工程應用時的安全性能。日本茨城 大學吳智深等提出利用纖維封裝光纖傳感器，提高傳感器在結構上布設時的耐久性和存活 率；國內，哈爾濱工業大學歐進萍等首次將光纖光柵埋入FRP筋中，改善了光纖光柵在混凝土結構內部監測的環境。
但在實際生產、應用中主要存在這樣一些問題(1)光纖比較脆弱，在FRP筋/索的 拉擠成型工藝中存活率很低，嚴重影響連續化大規模生產；(2)在FRP材料普通復合工藝 (即熱固性復合)中光纖傳感器接口 (即一段用于連接其他光纖傳感器的自由光纖)引出 比較困難；(3)傳光元件(即纖芯和包層)與外圍樹脂涂層之間存在滑移以及在空間分解 能(即最小測量距離)內的光纖應變不均勻等因素降低了分布式傳感測試時的精度。
針對上述問題，哈爾濱工業大學周智等對裸光纖(普通商業單模光纖)埋設進熱固性 FRP筋的探頭引出進行了探討和研究，即對光纖進行刷油隔膠，然后剝離固化的FRP筋使 得光纖傳感器接口引出；日本茨城大學吳智深、張浩等通過理論和實驗研究提出光纖無滑 移化和長標距化(即光纖定點布設)可以提高分布式傳感光纖的測試精度。
然而目前各種研究中總是涉及到非常麻煩的人工處理，這不僅降低工業化水平，提高 生產成本，而且會影響產品的成品率和性能的穩定性。而且，使用光纖一般都是普通商業通 訊光纖，會降低產品的實際傳感測試精度。
本發明是建立在機械化、自動控制化的基礎上，真正意義實現基于分布式光纖傳感技 術的高精度自監測FRP筋/索的規模化生產。
發明內容
技術問題本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種在現有 FRP筋/索和適當改造的光纖的生產設備及工藝的前提下，適合于基于分布式光纖傳感技 術的高精度自監測FRP筋/索的規模化制造工藝。
技術方案本發明解決其技術問題所采用的技術方案為 一種基于光纖傳感的分布式 高精度自監測FRP筋/索的規模化生產工藝，包括以下步驟
第一步、高精度長標距光纖傳感器的制備和封裝在光纖傳光元件的纖芯和包層外圍 直接涂敷一層剛度和厚度相對較大的樹脂涂層制成無滑移光纖，然后在其外圍干式復合增 強纖維，最后在表面隔段涂敷一個標距長度的隔膠層制成長標距光纖的封裝制品；
第二步、長標距隔離法制造自監測FRP筋/索纖維和長標距光纖的封裝制品分別通 過紗軸和光纖軸進行放線，其中纖維導入浸膠槽充分浸漬樹脂，而長標距光纖的封裝制品 通過淋膠孔在空中淋膠，然后直接經由集束架的中心孔與浸透樹脂且被集束架集束定位后 的纖維一起擠入中心管，在管中擠壓初步成型；初步成型的自監測FRP筋/索需要用纏絲 機進一步刻螺紋并擠膠成型，之后進入預熱管對FRP筋/索預熱，去除部分多余樹脂，并 且使纖維和樹脂有了一定溫度，再進入加熱管進一步加熱，然后進入固化管固化成型；成品筋/索被夾具和夾具牽拉出生產線，擱置在支架上或直接將其盤成一定直徑的筋/索盤。 所述的樹脂涂層為普通商業單模通信光纖中的樹脂涂層或纖維浸潤劑。 所述的隔膠層為PVC涂層，每段隔膠層的長度不小于40cm，錨固段的長度為2~3cm。 利用張力器和高穩定性的連續牽引系統控制光纖傳感器與纖維的復合狀態，保證光纖
沿自監測FRP筋/索的通長范圍內準確、均勻復合；通過中心管的內徑控制自監測FRP筋
/索的直徑，而利用纏絲機纏絲的力度和速度可以控制螺紋的螺深和螺距；生產使用的樹
脂為熱固性樹脂。
本發明的有益效果
1、 本發明通過無滑移和長標距的處理技術改善了現有普通商業單模光纖的傳感精度， 提升了發明中所述的自監測FRP筋/索品質，開闊和深化了分布式光纖傳感技術的實際應 用，
2、 通過對光纖傳感器外圍無粘結纏繞、編織纖維增強了光纖的抗剪、抗拉的能力， 大大提高了其在自監測FRP筋/索生產過程中的存活率，即減少了產品工業化生產的廢品 率，降低了成本，提高了市場競爭力。
3、 采用發明中所述的長標距隔離法制造自監測FRP筋/索，沒有改動原有的FRP筋/ 索的工業生產工藝，因此，產品的傳感、力學性能的穩定性得到了有效保障。同時，生產 過程中很少涉及到手工勞動，使得該工藝具有很高的工業化水平，保證大規模生產的生產 效率。
4、 相比于其他智能結構材料來說，本發明生產的制品具有分布式的傳感、高穩定的 監測以及高強的力學性能，價格卻不會比普通FRP筋/索高很多(成本最多提高10%)，因 此，其性價比非常高。
5、 本發明所生產的高精度FRP筋/索適應目前國家大型基礎設施建設和運營的需求， 尤其能夠解決各種惡劣環境中的混凝土結構的長期監測的難題，具有很高的社會效益。
圖1是普通商業單模光纖的結構示意圖。
圖2是本發明無滑移光纖制備的結構示意圖。
圖3是光纖長標距測試原理的示意圖。
圖4是本發明光纖-纖維干式復合的示意圖。其中4a是光纖外圍無粘結編織/纏繞纖維的 示意圖，4b是光纖-纖維干式復合制品橫截面的結構示意圖。
圖5是本發明涂敷隔膠層的示意圖。其中，5a是在纖維線管外通常涂敷隔膠層的示意圖，5b是通長涂敷隔膠層的制品的橫截面的結構示意圖。
圖6是本發明長標距光纖制備的示意圖。其中6a是在纖維線管外隔段涂敷隔膠層的示意
圖，6b是長標距光纖制品的橫截面的結構示意圖。
圖7是本發明高精度自監測FRP筋/索的工業化生產的示意圖。
圖8是本發明高精度自監測FRP筋/索的結構示意圖。其中8a是成品筋/索的某段的縱 剖面的結構示意圖，8b是成品筋/索的橫截面的結構示意圖。 具體實施例方式
結合圖例，對本發明的具體實施過程進行更詳細的描述
本發明的技術方案主要包括以下兩部分的內容(1)高精度的長標距光纖傳感器的制 備和封裝；(2)長標距隔離法制造自監測FRP筋/索。 (1)、高精度的長標距光纖傳感器的制備和封裝
目前可用于大規模監測的商業光纖一般為通信光纖，由于用途的不一致導致光纖結構 設計的方法不同，而這種差異使得在作傳感測量用時精度會下降。同時，現有的分布式光 纖傳感技術存在著空間分解能，要求在空間分解能內光纖應變均勻，否則很難準確反映真 實情況。針對上述問題，提出了無滑移光纖和長標距光纖兩種可提高光纖測試精度的上產 制造方法。
1、 光纖無滑移化
結合附圖2，在纖芯1和包層2外面直接涂覆一層樹脂涂層5，要求其剛度相對較大， 且與包層2緊密粘結。這樣， 一方面保護內部的傳光元件(即纖芯1和包層2)，另一方面 保證樹脂涂層5與傳光元件之間變形有效傳遞。根據這樣的要求，目前樹脂涂層5可采用 樹脂涂層4、復合材料工業中纖維經常使用的浸潤劑(其主要成分有偶聯劑、粘結劑、成 膜劑等)或其他類似產品，這樣還可以增強光纖與纖維復合時的界面。
2、 光纖長標距化
第一步，結合附圖4，將增強纖維10和上述的無滑移光纖9一起通過纖維編織機11， 使增強纖維10圍繞無滑移光纖9編織/纏繞成一層纖維線管12 (即光纖-纖維干式復合增 強光纖)，從而保證無滑移光纖9在中間，增強纖維10可以是碳纖維、玄武巖纖維、玻璃 纖維等各類纖維；第二步，結合附圖5 附圖6，把第一步的制品經過涂覆機13涂覆一層 隔膠層14，再隔段(隔段長度即為一個標距長度)去皮，而去皮長度為光纖錨固段15的 長度，或者將第一步的制品經過涂覆機13直接間斷涂覆一層隔膠層14。
上述第一步保證了無滑移光纖9具有足夠的抗剪、抗拉的能力在FRP筋/索的拉擠成型工藝中存活。第二步保證了隔膠層14里的無滑移光纖9制造自監測FRP筋/索時與外面 的纖維不產生粘結力，即無滑移光纖9在該段可以自由伸縮，從而保證了應變的均勻。 (2)、長標距隔離法制造自監測FRP筋/索 該方法就是將上述的長標距光纖傳感器導入一般的FRP筋/索的工業化生產流程。再 利用FRP材料各項異性的特征，直接將光纖接口從FRP筋/索中剝離出來。本方法的關鍵 點是長標距光纖傳感器的導入和光纖接口的引出。具體生產流程結合附圖7加以詳細說 明。
纖維16和長標距光纖的封裝制品17分別通過紗軸18和光纖軸19進行放線，其中纖 維16導入浸膠槽20充分浸漬樹脂(樹脂為熱固性樹脂)，而長標距光纖的封裝制品17為 了避免彎折損傷而通過淋膠孔21在空中淋膠，然后直接經由集束架22的中心孔與浸透樹 脂且被集束架22集束定位后的纖維16—起擠入中心管24，在管中擠壓初步成型。初步成 型的自監測FRP筋/索需要用纏絲機25進一步刻螺紋并擠膠成型，之后進入預熱管26對 FRP筋/索預熱，去除部分多余樹脂，并且使纖維和樹脂有了一定溫度，再進入加熱管27 進一步加熱，然后進入固化管28固化成型。成品筋/索29被夾具30和夾具32牽拉出生 產線，擱置在支架33上或直接將其盤成一定直徑的筋/索盤。
某段成品筋/索29構造見附圖8，其中長標距光纖的封裝制品17在熱固性FRP36的 中間，錨固段15浸滿樹脂且完全固化，與外圍的熱固性FRP36粘結成整體，隔膠層14將 樹脂與無滑移光纖9完全隔離開，保證無滑移光纖9在標距段內的自由伸縮。
該生產流程有幾個關鍵控制工藝
1、 光纖復合狀態控制。為了提高光纖測試精度，要求纖維16和長標距光纖的封裝制 品17能夠均勻準確復合。為了達到這樣的目的， 一方面，可以在集束架22上安裝張力控 制器23，保證纖維16和長標距光纖的封裝制品17進入中心管24的初始張力相同；另一 方面，利用高穩定性的連續牽引系統(如連續液壓牽引系統，包括夾具30、夾具32和牽 引動力系統31)，保證沿FRP筋/索的通長范圍內長標距光纖的封裝制品17與纖維16的 復合狀態一致。
2、 自監測FRP筋/索的外形控制。依據用途不同，產品的尺寸和外表狀態是要求不一 的。本工藝中，通過中心管24的內徑可以控制自監測FRP筋/索的直徑，而纏絲機25纏 絲的力度和速度可以控制螺紋的螺深和螺距。
3、 光纖接口的引出。針對光纖標距長度是40cm的自監測FRP筋/索，對光纖接口引 出的作詳說明。使用時，按照兩端比實際所需長度各多40cm下料。然后，利用專門的剝線鉗/刀先從兩端最外側向內20cm處剪切FRP筋/索，剝離熱固性FRP36，并從里面將光 纖小心抽出。如果光纖的長度足夠連接所需，則不再繼續剪切FRP筋/索。否則，再在向 內20cm處剪切FRP筋/索并抽出光纖，此時引出的自由段光纖長度至少是20cm，足夠連 接其他光纖所用。其他標距長度的光纖引出方法可類似推斷。
8
權利要求
1、一種基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化制備工藝，其特征是包括以下步驟第一步、高精度長標距光纖傳感器的制備和封裝在光纖傳光元件的纖芯(1)和包層(2)外圍直接涂敷一層剛度和厚度相對較大的樹脂涂層(5)制成無滑移光纖(9)，然后在其外圍干式復合增強纖維(10)，最后在表面隔段涂敷一個標距長度的隔膠層(14)制成長標距光纖的封裝制品(17)；第二步、長標距隔離法制造自監測FRP筋/索纖維(16)和長標距光纖的封裝制品(17)分別通過紗軸(18)和光纖軸(19)進行放線，其中纖維(16)導入浸膠槽(20)充分浸漬樹脂，而長標距光纖的封裝制品(17)通過淋膠孔(21)在空中淋膠，然后直接經由集束架(22)的中心孔與浸透樹脂且被集束架(22)集束定位后的纖維(16)一起擠入中心管(24)，在管中擠壓初步成型；初步成型的自監測FRP筋/索需要用纏絲機(25)進一步刻螺紋并擠膠成型，之后進入預熱管(26)對FRP筋/索預熱，去除部分多余樹脂，并且使纖維和樹脂有了一定溫度，再進入加熱管(27)進一步加熱，然后進入固化管(28)固化成型；成品筋/索(29)被夾具(30)和夾具(32)牽拉出生產線，擱置在支架(33)上或直接將其盤成一定直徑的筋/索盤。
2、 根據權利要求1所述的基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化制 備工藝，其特征是所述的樹脂涂層(5)為普通商業單模通信光纖中的樹脂涂層(4)或 纖維浸潤劑。
3、 根據權利要求1所述的基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化制 備工藝，其特征是所述的隔膠層(14)為PVC涂層，每段隔膠層(14)的長度不小于 40cm，錨固段(15)的長度為2 3cm。
4、 根據權利要求1所述的基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化制 備工藝，其特征是利用張力器(23)和高穩定性的連續牽引系統控制光纖傳感器與纖維 的復合狀態，保證光纖沿自監測FRP筋/索的通長范圍內準確、均勻復合；通過中心管(24) 的內徑控制自監測FRP筋/索的直徑，而利用纏絲機(25)纏絲的力度和速度可以控制螺 紋的螺深和螺距；生產使用的樹脂為熱固性樹脂。
全文摘要
本發明公開了一種基于光纖傳感的分布式高精度自監測FRP筋/索的規模化制備工藝，該工藝主要包括兩道工序(1)高精度長標距光纖傳感器的制備和封裝，即在光纖傳光元件外圍直接涂敷一層剛度和厚度相對較大的樹脂涂層制成無滑移光纖，然后在其外圍無粘結編織/纏繞纖維，最后在表面隔段涂敷一個標距長度的隔膠層形成長標距光纖的封裝制品；(2)長標距隔離法制造自監測FRP筋/索，即將長標距光纖的封裝制品導入FRP筋/索的規模化生產流程，主要包括光纖復合狀態控制、自監測FRP筋/索的外形控制等主要工藝，并通過剝離固化的FRP，引出隔膠層內的光纖用于連接其他光纖。該方法生產的制品可以按要求任意截取，是一種通用型產品。
文檔編號D07B1/00GK101624790SQ200910027179
公開日2010年1月13日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者剛 吳, 吳智深, 唐永圣, 楊才千 申請人:東南大學;北京特希達科技有限公司;浙江石金玄武巖纖維有限公司