一種光纖光柵應變傳感器及其制作方法和成型模具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感技術領域，特別是涉及一種光纖光柵應變傳感器及其制作方法和 成型模具。
【背景技術】
[0002] 應變是材料與結構的重要物理特性。大型結構和工程的應力狀態對其安全可靠性 起著決定性的作用，準確、及時而又全面地了解結構健康狀態才能對其做出正確評價，從而 避免重大事故的發生。
[0003] 目前結構應變檢測方式主要有兩種，一種是電類傳感測量技術，如電阻應變計、鋼 弦計等；另一種是光纖光柵應變傳感器。采用上述兩種方式對結構工程進行應變檢測，在現 有的技術中均存在較大的缺陷。
[0004] 傳統的應變計易受電磁干擾、銹蝕等因素影響，無法適應大型結構中惡劣的工作 環境，不能進行分布式測量，且應變片自身的蠕變、氧化等問題都會帶來測量誤差，不能實 現對重大工程結構健康狀態的長期實時在線監測。
[0005] 光纖光柵傳感器以其體積小、損耗低、靈敏度高、不受電磁干擾和耐腐蝕等諸多優 點能滿足對結構監測的高精度、遠距離、分布式、長期性和遠程自動化監測的技術要求。然 而目前使用的監測方法多為"點式"測量，只能反映局部狀態，要想獲得結構全面的狀態信 息則需要布置數量眾多的傳感器，而傳統的光纖光柵應變傳感器制造成本較高，對于多點 分布式測量存在一定的局限性，此外，復雜的生產技術和精細的生產過程使得光纖光柵應 變傳感器只能小規模生產。目前的光纖光柵應變傳感器多以測量結構局部的二維應力狀態 為主，而對于結構局部三維應力狀態的檢測主要是通過布設由一定數量光纖光柵應變傳感 器組成的傳感網絡來實現，因此對于三維光纖光柵應變傳感器的設計具有主要意義。
【發明內容】
[0006] 為解決上述問題，本發明提供一種結構簡單，成本低，測量精度高，安裝方便，使用 壽命長，可實現對結構工程局部三維應力狀態測試的光纖光柵應變傳感器。并提供生產工 藝流程合理，制造周期短，且利于大批量標準化生產的光纖光柵應變傳感器的制造方法，還 提供其制作方法所使用的成型模具。
[0007] 本發明采用的技術方案之一是，一種光纖光柵應變傳感器，其特征是，它包 括：環氧樹脂內筒體、環氧樹脂外筒體和三組光纖光柵集A、B、C，所述環氧樹脂內筒 體上套置所述環氧樹脂內筒體，在環氧樹脂內筒體與環氧樹脂內筒體之間置有粘貼在 環氧樹脂內筒體外壁上的三組光纖光柵集A、B、C，每組間隔120°，每組光纖光柵集 由3個光纖光柵Ai、Bi、Ci，i=l，2,3組成，分別沿環氧樹脂內筒體外壁母線、切線和 f方向布置，共9個光纖光柵。 ：4：；
[0008] 本發明采用的技術方案之二是，一種光纖光柵應變傳感器的制造方法，其特征 是，它包括的內容有： 1) 環氧樹脂內、外筒體用澆注料的制備：一次混料，在配料罐內，按質量份，環氧樹 月旨、硅微粉填料為1:1. 5進行配比混合，期間使混合物料保持在65-70°C，抽真空度低于 1330pa，均勻攪拌I. 5-2h，使混合物料脫水脫氣；二次混料，再往脫水脫氣的混合物料中， 按質量份，混合物料、固化劑為100 :25-30進行配比混合，保持溫度70-75Γ，抽真空度低于 1330pa，混合攪拌30-45min后得到環氧樹脂內、外筒體用澆注料； 2) 使用成型模具，模具在真空澆注罐內均勻加熱6-8h至80-85Γ，再抽真空度到低于 1330Pa，將步驟1)得到的澆注料從模具澆口注入到模具環氧樹脂內筒體成型空腔內，澆注 速度I. 5-2kg/min，并由模具冒口排氣，澆注完成持續抽真空直至去除澆注物料中的氣泡后 停止抽真空，將模具送入固化爐進行固化，保持溫度在60°C，固化持續l_2h，冷卻至常溫， 制得環氧樹脂內筒體； 3) 在環氧樹脂內筒體的外壁表面用粘結劑粘貼三組光纖光柵集A、B、C，每組間隔 120°，每組光纖光柵集由3個光纖光柵六1、81、（^，1=1，2,3組成，分別沿環氧樹脂內筒體 的外壁表面母線、切線和~7方向布置，共9個光纖光柵，且中心波長各不相同，并通過成型 模具的上蓋的冒口導出光纖； 4) 再繼續使用成型模具，只將占位在模具環氧樹脂外筒體成型空腔的內模板取出，模 具溫度80-85°C，抽真空度到低于1330Pa，將步驟1)得到的澆注料從模具澆口注入到模具 環氧樹脂外筒體成型空腔內，并由模具冒口排氣，澆注完成持續抽真空直至去除澆注物料 中的氣泡后停止抽真空，將模具送入固化爐進行固化，固化溫度60°C，持續l_2h冷卻至常 溫，制得環氧樹脂外筒體，使環氧樹脂外筒體與其粘貼三組光纖光柵集A、B、C和環氧樹脂 內筒體固化為一體，脫模后得到光纖光柵應變傳感器。
[0009] 所用環氧樹脂為E-51環氧樹脂。
[0010] 所用固化劑為593環氧固化劑。
[0011] 本發明采用的技術方案之三是，一種光纖光柵應變傳感器的制造方法所使用的成 型模具包括上蓋、芯桿、底座、緊固件、對置的兩瓣半圓柱形內模板和對置的兩瓣半圓柱形 外模板，對置的兩瓣半圓柱形內模板上套置對置的兩瓣半圓柱形外模板，對置的兩瓣半圓 柱形內模板和對置的兩瓣半圓柱形外模板置在底座與上蓋之間，且通過穿裝在對置的兩瓣 半圓柱形內模板中間的芯桿與緊固件固連。
[0012] 成型模具的內、外模板均為兩瓣半圓柱形結構。
[0013] 在所使用的成型模具對置的兩瓣半圓柱形內模板與芯桿之間設有空腔。
[0014] 在所使用的成型模具上蓋上設有澆口和冒口。
[0015] 本發明光纖光柵應變傳感器較好地保留了裸光纖光柵的傳感特性，精度高，一次 測量就可獲得被測量物體，例如巖石、混凝土等全部的3維應力張量，便于多點分布式測 量，可廣泛應用于大型結構安全狀態的長期監測評估。具有結構簡單，成本低，測量精度高， 安裝方便，使用壽命長等優點。
[0016] 本發明光纖光柵應變傳感器的制造方法具有生產工藝流程合理，制造周期短，且 利于大批量標準化生產。
[0017] 本發明光纖光柵應變傳感器的制造方法所使用的成型模具能夠實現二次澆注，一 次成型，模具結構簡單，便于制造和裝配。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明一種光纖光柵應變傳感器的制造方法所使用的成型模具立體1/4剖 視不意圖； 圖2為圖1中一瓣半圓柱形內、外模板6、7結構示意圖； 圖3為圖1的俯視不意圖； 圖4為圖3的A-A剖示意視圖(一次待澆注狀態）； 圖5為一種光纖光柵應變傳感器的制造方法所使用的成型模具結構示意圖； 圖6為一種光纖光柵應變傳感器的制造方法所使用的成型模具主視示意圖； 圖7為圖6的B-B剖面示意圖； 圖8為光纖光柵集A、B、C的粘貼位置示意圖； 圖9為每組集中各光纖光柵六1、81、(^(1=1，2,3)的貼貼示意圖； 圖10為圖9中局部I放大示意圖； 圖11為圖3的A-A剖示意視圖(二次待澆注狀態）； 圖12為光纖光柵應變傳感器結構示意圖； 圖13為光纖光柵應變傳感器工作應用示意圖； 圖中：1螺母，2墊片，3澆口，4上蓋，5芯桿，6對置的兩瓣半圓柱形內模板，7對置的兩 瓣半圓柱形外模板，8底座，9冒口，10環氧樹脂內筒體，11環氧樹脂外筒體，12三組光纖光 柵集A、B、C。
【具體實施方式】
[0019] 為了使本發明的目的、技術特征和有益效果更加清楚，下面將結合附圖及具體實 施例進行詳細描述。
[0020] 參照圖8-圖10和圖12,本發明的一種光纖光柵應變傳感器，包括：環氧樹脂內筒 體10、環氧樹脂外筒體11和三組光纖光柵集A、B、C12,所述環氧樹脂內筒體10上套置所述 環氧樹脂內筒體11，在環氧樹脂內筒體10與環氧樹脂內筒體11之間置有粘貼在環氧樹脂 內筒體10外壁上的三組光纖光柵集A、B、C12,每組間隔120°，每組光纖光柵集由3個光纖 光柵Ai、Bi、Ci，i=l，2, 3組成，分別沿環氧樹脂內筒體10外壁母線、切線和I方向布置，共 9個光纖光柵。
[0021] 參照圖1-圖12,本發明一種光纖光柵應變傳感器的制造方法，包括的內容有： 1) 環氧樹脂內、外筒體用澆注料的制備：一次混料，在配料罐內，按質量份，環氧樹 月旨、硅微粉填料為1:1. 5進行配比混合，期間使混合物料保持在65-70°C，抽真空度低于 1330pa，均勻攪拌I. 5-2h，使混合物料脫水脫氣；二次混料，再往脫水脫氣的混合物料中， 按質量份，混合物料、固化劑為100 :25-30進行配比混合，保持溫度70-75Γ，抽真空度低于 1330pa，混合攪拌30-45min后得到環氧樹脂內、外筒體用澆注料； 2) 使用成型模具，模具在真空澆注罐內均勻加熱6-8h至80-85Γ，再抽真空度到低于 1330Pa，將步驟1)得到的澆注料從模具澆口注入到模具環氧樹脂內筒體成型空腔內，澆注 速度I. 5-2kg/min，并由模具冒口排氣，澆注完成持續抽真空直至去除澆注物料中的氣泡后 停止抽真空，將模具送入固化爐進行固化，保持溫度在60°C，固化持續l_2h，冷卻至常溫， 制得環氧樹脂內筒體；