Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации для строительных конструкций

Полезная модель относится к оптоволоконным технологиям, в частности к распределенным волоконно-оптическим датчикам, и может быть использована в обычных и предварительно-напряженных, монолитных бетонных и сборных строительных конструкциях для измерения деформаций и температуры.
Чувствительный элемент заявляемого сенсора представляет собой композитную арматуру с размещенным внутри оптическим волокном.
Известна полезная модель композитной стеклопластиковой арматуры (варианты) (патент №134966, заявка №2012157699), представляющая собой пропитанное полимерным связующим стекловолокно, содержащая несущий стержень и спиральную обмотку, отличающаяся тем, что несущий стержень изготовлен из скрученного вокруг центральной оси пучка нитей стекловолоконного ровинга. Недостатком указанной модели можно считать то, что описываемая композитная арматура выполняет только армирующие функции и не является сенсором.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является распределенный волоконно-оптический композитный кабель-датчик для нефтяных и газовых скважин (заявка WO 2006/003477 Interventionrod, дата публикации: 12.01.2006, МПК: Е21В 17/20, G02B 6/44), содержащий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно), проходящую (проходящее) вдоль длины кабеля-датчика, жесткую внешнюю структуру, обеспечивающую самовыпрямление кабеля-датчика (материал, обеспечивающий выпрямление кабеля-датчика при сгибе), защитный слой, отделяющий сервисную линию (по меньшей мере одно оптическое волокно) от жесткой внешней структуры (материала, обеспечивающего выпрямление кабеля-датчика при сгибе). Недостатками данной модели можно считать отсутствие в конструкции кабеля-датчика оптических разъемов и рифления на поверхности, что затрудняет подключение сенсора к измерительной аппаратуре и снижает качество его сцепления с материалом строительной конструкции.
измерительной аппаратуре и снижает качество его сцепления с материалом строительной конструкции.
Цель полезной модели - разработать волоконно-оптический сенсор для строительных конструкций.
Технический результат заключается в повышении качества сцепления чувствительного элемента со строительной конструкцией.
Технический результат достигается за счет размещения по меньшей мере одного оптического волокна внутри металл-полимерного композиционного материала, выполненного в виде строительной арматуры из стекловолоконного ровинга.
По сравнению со стандартными датчиками для мониторинга механических параметров строительных конструкций, волоконно-оптический сенсор температуры и деформации имеет следующие преимущества: конструкция сенсора обеспечивает надежный контакт с материалом контролируемой строительной конструкции; установленный сенсор не снижает надежности строительной конструкции.
Описание полезной модели.
Предлагаемое решение имеет следующую конструкцию (фиг. 1). Одномодовое оптическое волокно с буферым покрытием (1), одновременно выполняющее роль чувствительного элемента и линии для передачи данных помещено в металлический спиральный рукав (3), защищающий оптический кабель от сдавливания при формировании арматуры, при сохранении чувствительности к растяжению. Эта конструкция помещена в тело арматуры (2), состоящее из ровинга, пропитанного полимерным связующим и отвержденного, на котором сделана навивка из дополнительного ровинга (4). Этот дополнительный ровинг стягивает тело арматуры при формировании стержня арматуры и обеспечивает сцепление сенсора со строительной конструкцией.
Для соединений сенсоров между собой и с измерительной аппаратурой в предлагаемой полезной модели предусмотрены защищенные оптические разъемы, размещаемые на концах сенсора (фиг. 2).
Тело арматуры (2) помещено в уплотнитель (5) и зафиксировано цанговым зажимом (6), в котором сделаны отверстия (7) для прижимных винтов. Цанговый зажим снабжен резьбой для крышки защитного кожуха (8) и уплотнителями (9). Оптическое волокно в буферной оболочке (1), освобожденное от арматуры (2), извлеченное из металлического спирального рукава (3), соединено с оптическим разъемом (10), который, в свою очередь, соединен с оптическим адаптером (розетка) (11). К оптическому адаптеру может присоединятся патч-корд для соединения с измерительной аппаратурой. При размещении сенсора внутри строительной конструкции предусмотрена заглушка (12), предотвращающая повреждение оптического адаптера.
Изготовление предлагаемого сенсорного элемента возможно на существующей базе для производства композитной арматуры. Для этого одну из катушек с ровингом заменяют на катушку с оптическим волокном, защищенным спиральным металлическим рукавом. После чего оно, вместе с ровингом, пропитывается полимерным связующим, стягивается дополнительной прядью ровинга и протягивается через печь для полимеризации. Полученный сенсорный элемент обрезают до необходимой длины и оснащают его концы защищенными оптическими разъемами.
Заявляемый волоконно-оптический сенсор может быть использован в оптоволоконных системах, предназначенных для измерения деформации, механического напряжения, температуры в строительных конструкциях. Оптоволоконные системы помимо заявляемого сенсора, размещаемого в строительных конструкциях, включают бриллюэновский оптический анализатор, устанавливаемый в аппаратной или операторской. Работа анализатора основана на регистрации рассеяния Мандельштама-Брюллюэна, регистрируемой величиной является изменение свойств рассеянного излучения (амплитуды, фазы, спектра, поляризации и т.д.), происходящее под воздействием измеряемых физических величин.
Предлагаемый волоконно-оптический сенсор температуры и деформации для строительных конструкций может монтироваться вопалубку параллельно и на одном уровне с наиболее нагруженным армирующим элементом. Оптические разъемы сенсора монтируются таким образом, чтобы обеспечить возможность доступа к ним после снятия опалубки и завершения строительных работ. В остальном монтаж выполняется аналогично монтажу композитной арматуры и не требует особых навыков. На завершающем этапе строительных работ производят прокладку сервисных линий от установленных сенсоров к предполагаемому месту установки измерительного оборудования и определяют длину каждого кабеля от точки соединения с сенсором до оптического разъема, подключаемого к оптическому анализатору.
После окончания строительных работ производят съем исходных данных, которые будут служить базовой (нулевой) линией для последующих измерений. Снятие данных производят в отсутствии посторонних механических и температурных воздействий на исследуемую конструкцию.
В заявляемом волоконно-оптическом сенсоре температуры и деформации для строительных конструкций одно или несколько оптических волокон, проходящих вдоль длины сенсора, являющихся чувствительными к внешним воздействиям измеряемых физических величин, размещены внутри металл-полимерного композиционного материала. Надежный контакт с контролируемым объектом приводит к уменьшению искажения внешних воздействий физических величин, происходящих на границах раздела фаз - слоев. За счет уменьшения искажения внешних воздействий физических величин происходит повышение точности измерений механических параметров и расширение диапазона их измерений: сенсор позволяет регистрировать меньшие по амплитуде колебания температуры, деформации.
Таким образом разработан волоконно-оптический сенсор для строительных конструкций с повышенными качеством сцепления чувствительного элемента со строительной конструкцией и механической надежности измерительного тракта. Конструкция сенсора позволяет упростить процесс монтажа сенсорных элементов. Использование заявляемого волоконно-оптического сенсора температуры и деформации для строительных конструкций для измерения механических параметров в строительных конструкциях позволит повысить точность и расширить диапазон измерений деформации и температуры.