一种分布式智能绳索
技术领域
本实用新型涉及一种建筑结构用的复合材料及智能传感器领域，尤其涉及一种分布式智能绳索。
背景技术
高强、轻型、优质的新型建筑复合材料作为现代化建筑的基础材料，其发展越来越受到重视。新型建筑复合材料作为建筑物的主要基材，在建筑中占有十分重要的地位。随着我国新型建筑复合材料需求的大幅度攀升，原有建筑复合材料已经不能满足新型建筑物的需求。虽然建筑复合材料管理部门已通过加大对建筑复合材料生产设施的投资来增加供应量，但目前使用的传统的建筑复合材料已满足不了现代化建筑物的需求，有些甚至过时；传统的建筑复合材料资源也在不断地减少和消失，建筑行业的新型建筑材料资源已成为现代化建筑的瓶颈问题。
此外，随着我国城市化建设的快速发展，土地资源越来越紧张，建筑面积的选择已受到较大的制约。因此，为解决这些瓶颈问题，一方面需要增加和扩大传统的建筑材料和建筑复合材料的供应以满足建筑行业的需求。但是新建城市、道路、桥梁的扩大需要增加新的土地和基础设施投资，势必造成传统的建筑材料需要大量增加，所以传统的建筑材料在能源、矿产、环保、资金、地理位置、规划等多方面受到制约。另一方面，要对老建筑物、道路、桥梁进行改造和加固，特别是历史文物建筑，即利用原有老建筑物的基础和原貌使其最大限度地发挥作用，提高老建筑物使用功能和土地资源利用，降低对新建筑物的投资，减少新增土地面积和建筑材料运输过程中的能耗，必需大量使用轻型高强的新型建筑复合材料，建设有我国特色的新资源节约型、环境友好型的新型建筑物，已成为我国国民经济领域迫切需要解决的问题。现有的新型轻质建筑复合材料，都是采用单一的纵向纤维束与树脂复合制成的产品，虽然抗拉强度高，但耐折强度低。已经满足不了新建筑物的需要。
再者，一方面，自然灾害频发，容易对建筑物造成大面积跨塌和损伤事故；另一方面，大量原有的和新建的桥梁、隧道、水坝和古旧建筑物，如何对这些建筑物进行自监测、自诊断，及时开展对这些建筑物的检查、维修和监测，并优化配置新型建筑材料和建筑复合材料资源，以及提高新型建筑材料的设防标准和提高建筑物的使用功能和建设效率，提高建筑物的建设安全和建筑物的使用安全，也是一个需要迫切解决的问题。要对建筑物进行健康监测和检查必需要另行附加传感器件才能实现。现有的传感器主要有传统型电阻式应变片和振弦传感器，它们都是粘贴于被测试的建筑上使用，现有的智能筋及封装式光纤光栅传感器是将传感器封装于薄金属套管中或是埋于FRP纤维材料的层间后，再粘贴于被测试的建筑物上，以上几种方法都给施工布设传感器带来了很多不便、成活率不高、耐久性不长，测试时传感器的精度也低、不准确；所以传统型智能筋应用于建筑结构监测上的寿命很短，难以推广。
当今大量的现代化建筑物又急需大量的既是高强的承重受力材料，又是传感器型的智能复合材料。此外，如何开展自主创新，形成有我国自主知识产权的新型高强智能形复合材料也是迫切需要关注和解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种分布式智能绳索。
本实用新型的目的是这样实现的：
本绳索包括从内向外依次连接的光导纤维、碳纤维和玄武岩纤维合股层、尼龙纤维套管和保护涂层。
制备方法包括下列步骤：
①将纤维从纱架上引出，经过输送装置，按比例依层次将碳纤维、玄武岩纤维合成股纱，再将光导纤维自由导出随多个股纱经高强制绳机制成绳体，使光导纤维始终保持在绳体中央，同时将高强尼龙纤维在绳体外经双层编织机制成尼龙纤维套管；
②在尼龙纤维套管表面涂覆一层硅烷偶联剂和表面处理剂；
③经卷取、切割和包装而成分布式智能绳索产品。
本实用新型具有下列优点和积极效果：
1、本实用新型采用高性能的玄武岩纤维、碳纤维和尼龙纤维材料与光导纤维相复合，首先制造出分布式智能绳索；光导纤维作为绳索的传感器元件被包覆在几种纤维的中央，具有传导性能好、耐腐蚀、承载能力高和耐久性能强等特点的优质绳索，同时还在绳索的外表编织一层柔软、耐磨察、强度高的高强尼龙纤维套管，并在尼龙纤维套管上涂覆一种硅烷偶联剂，使其具有和树脂亲合性好、粘结强的分布式智能绳索。
2、本实用新型还具有自重轻、便于运输、使用和安装方便，成活率大、耐腐蚀性和耐久性好等优点。用分布式智能绳索制成的分布式复合材料智能筋，不但抗拉强度高，而且耐折性能强，既是优良的智能传感材料，又是高强的承载受力材料。分布式智能绳索，经济、高效、适用，能够有效的解决当今建筑行业中缺乏高性能和高档次新型复合材料分布式智能筋的瓶颈问题；
3、分布式智能绳索与其它智能材料相比，其价格上还有明显的优势，要低20％以上。本实用新型由于引入了光导纤维在高强纤维绳索中组成了高性能的分布式智能绳索，使其具有承载力材料和传感器的双重功能。用分布式智能绳索制成的复合材料不但是高强的建筑材料，还能使建筑物实现自监测、自诊断功能。为修建新型的建筑工程和建筑物如桥墩、桥梁、隧道等工程的施工与监测提供了优质新型的智能传感器和新形的建筑复合材料，这种新型智能的监测传感材料更加稳定、可靠，并克服了传统型智能传感器施工成活低、抗环境腐蚀和抗蠕变性能较差、耐久性明显不好等问题。
4、本分布式智能绳索是一种能够满足新、老建筑工程和建筑物的需求，并具有优良的力学、耐化学腐蚀性能、抗蠕变性能等，又有较低的价格优势，是一种自监测、自诊断，并具有优化配置的新资源和智能型多功能的新型建筑复合材料的主要基材之一。
附图说明
图1是本绳索的结构示意图。
其中：
1-光导纤维；
2-碳纤维和玄武岩纤维合股层；
3-尼龙纤维套管；
4-保护涂层；
A-斜截面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、分布式智能绳索
1、总体
如图1，本绳索包括从内向外依次连接的光导纤维1、碳纤维和玄武岩纤维合股层2、尼龙纤维套管3和保护涂层4。
2、功能部件
1)光导纤维1
所述的光导纤维1是一种通信光纤；
为裸光纤或护套光纤，护套光纤为松套光纤或紧套光纤。
光导纤维1具有传导速度快、导光性能强和容量大等优点作为传感器材料。
松套光纤，其护套与光纤之间没有固化，因此只受温度影响，而不受应力影响，用来测量全线的温度分布；
紧套光纤，其护套与光纤之间是固化的，用来测量应力或者应变；用紧套光纤测量应力应变，可以并列放置松套光纤做温度补偿。
分布式智能绳索中可以同时放置多根光导纤维1，以作备用。
光导纤维1要事先进行温度和应变(或应力)标定。
2)碳纤维和玄武岩纤维合股层2
所述的碳纤维和玄武岩纤维合股层2是一种由碳纤维和玄武岩纤维在合股机与张力的作用下经过拉紧而形成的合股层，其重量百分比分别是：
碳纤维为50-60％；玄武岩纤维40-50％。
碳纤维和玄武岩纤维合股层2的功能是增强。
3)尼龙纤维套管3
所述的尼龙纤维套管3是一种经过双层编织机将绳索芯体(光导纤维1和碳纤维和玄武岩纤维合股层2)包裹在其中，用尼龙纤维编织成的套管。
尼龙纤维套管3的功能是：
套在绳索芯体表面，使绳索具有表面柔软和耐磨性强等特点。
尼龙纤维的材料选用尼龙纤维或聚丙烯纤维。
4)保护涂层4
所述的保护涂层4是一种在绳索表面涂覆的一层硅烷偶联剂和表面处理剂。
保护涂层4的功能是耐化学腐蚀、耐水、耐冷冻。
硅烷偶联剂和表面处理剂选用如环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂和酚醛树脂等相结合的KH550或KH560。
二、分布式智能绳索的制备方法
1)步骤
安装制备装置，其中包括输送45％左右的玄武岩纤维和55％左右的碳纤维、纤维合股、输送光导纤维、高强拉制纤维成股、双层编织智能绳索外套管。供料装置供给连续纤维，绳索连续生产。
2)步骤②
涂覆硅烷偶联剂和表面处理剂，采用喷涂硅烷偶联剂的方式对绳索表面进行涂层，使绳索与增强型树脂粘结性能强，能制造出优质高强、耐折耐久性能好的复合材料智能筋。
3)步骤③
包括卷取、切割、包装。
绳索可用机器或人工切割，以端口整齐，并能找到光纤为要点。
绳索包装，端口焊接，并包扎好光纤连接端口。根据实际情况，可以在使用现场焊接光纤，此时包扎好端部，以便保护光纤端头。此处焊接工艺指将传感光纤和接出用的普通通讯光纤对接，采用专用石英纤维熔凝设备，以便连接到光分析器。
三、分布式智能绳索成型机理
1、本绳索由高强纤维和光导纤维结合为一体，光导纤维被各种高强纤维紧紧地包覆在中央，自身既是复合材料的传感器又是增强材料的骨架之一。
光导纤维作为传感器材料，具有传导速度快、导光性能强和容量大等优点；
碳纤维作为增强材料，具有强度高的优点；
玄武岩纤维作为外层受力材料，具有耐高温、耐腐蚀、强度高、与树脂粘结性能强等优点；
高强尼龙纤维作为保护外套材料，具有耐磨性好的优点。
本绳索具备了其它分布式智能传感器和受力构件复合材料都没有的基本性能。本方法不仅适用于建筑行业中复合材料分布式智能筋或智能传感器用分布式智能绳索的制作方法，也适用于其他行业中类似于智能绳索的制造方法。
2、在现有的技术中有大量的且各种各样的绳索，用它来固定各种建筑物或其它物体，这些绳索一般都是编织或拧绞而成，并由两股以上的纤维材料组成。到目前为止，这些绳索的制造方法有手工，有半机械和机械化，而智能绳索又都是以手工制成，而且只是在绳索上粘贴各种各样的传感器。
本方法是将光导纤维、碳纤维、玄武岩纤维和尼龙纤维等材料集合成一体。这些高强混杂纤维应分两个以上的层次布置，光导纤维布置在绳体的最里层和中央，中部纤维依此按光导纤维、碳纤维、玄武岩纤维直线排序，逐层布置为无卷曲、无捻度、无拧绞的纤维绳中心体，绳中心体的纤维张力要求基本均匀；外部为高强尼龙纤维并被编织成人字形、交叉螺旋形等形状。所有纤维表面都要涂敷如环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂和酚醛树脂等相结合的KH550或KH560偶联剂和表面处理剂。本方法可以在一般通用的制绳机、多股编织机和双层编织机上进行机械化生产。
3、本方法用连续机械化的生产方式代替手工、半机械化生产，既能制造连续分布式智能绳索，又能制造单段的分布式智能绳或圈状式、螺旋状式的分布式智能绳索。本方法是通过输送碳纤维、玄武岩纤维，经过纤维合股，输送光导纤维，高强制绳，双层编织，卷取和切割包装等工序完成。在分布式智能绳索预成型阶段内含有向纤维绳中央输送光导纤维的步骤；采用本方法所述的连续制造分布式智能绳索成型工艺，生产的分布智能绳索，不仅仅实现了方分布式智能绳索的连续机械化生产，更重要的是克服了传统的复合材料智能筋用单一的纤维束制造，使复合材料智能筋耐折性差的缺陷。使用分布式智能绳索时可以按照人们的需要随意裁剪长度，然后拨开绳索两端找出光纤与光缆搭结，这是传统的复合材料智能筋无法实现的。本方法制成的分布式智能绳索产品的表面柔软，耐磨性强，具有很好的耐折性。分布式智能绳索其长度可以从1m-500m，直径可以从4mm-150mm保持智能绳索的两端不分散开。
4、本方法的优点是显而易见的，它将大量使用的分布式智能绳索实现了机械化生产，提高了生产效率，减轻了生产工人的劳动力强度，减少了昂贵的碳纤维原料的损耗和作业场地，经济和节能效果明显，而且它加工出的分布式智能绳索形状、尺寸和绳中纤维的张力能保持规整一致，提高了用分布式智能绳索制作的分布式智能筋或复合材料产品的强度和耐折耐久性能好，包装、运输使用方便。
5、用本方法生产的分布式智能绳索，实现了：
1)技术指标
空间分辨率：10cm；
应变测量精度：±0.0025％；
温度测量精度：0.6℃；
测量时间：3min。
2)表面柔软，耐磨性强，光损耗少，分辨率好，使用成活率高。
3)分布式智能绳索其长度可以从1m-500m以上，直径可以从4mm-150mm，保持智能绳索的两端不分散开。
三、分布式智能绳索的使用方法与应用
1、分布式智能绳索两端的光纤与一定长度的光缆相联结，光缆作为测试仪器的联结导线。由于分布式智能绳索可以按建筑物的尺寸要求在现场进行剪裁后，找出两端光纤与光缆搭结，克服了传统的复合材料智能筋必需采用定长制，在现场剪裁后无法与光缆搭结的难题。分布式智能绳索最大的特点是使用预应力复合材料制作建筑结构时可以提高复合材料在建筑结构中的抗拉强度、弹性模量和抗疲劳性能。
2、另外，利用本分布式智能绳索制成分布式智能筋。传统型智能筋应用于建筑结构监测上的寿命短、量程短、成活率不高，所以推广和应用都受到制约。本分布式智能筋，在施工时能与建筑物的钢筋或复合筋同时布设，自身成为钢筋的一员，与其它钢筋一样被扎成钢筋网，施工也很方便。这种分布式智能筋，强度高，具有耐折性、稳定性好、耐腐蚀、抗电磁干扰强、体积小、重量轻、量程长、稳定性好等优点。它可以测量如：应变、应力、温度和混凝土内部的裂纹与位置等多项物理变化状况。
3、本分布式智能绳索还可以用于大桥和建筑物的斜拉索以及汽车、轮船、矿山等方面的健康监测和健康检查的受力材料和传感材料。
