一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具
技术领域
本实用新型涉及一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具，属于结构健康监测领域，尤其用于预应力钢绞线腐蚀断裂的监测。
背景技术
在近年来建筑行业的发展中，钢绞线已经在桥梁拉索以及预应力锚杆中得到了广泛的应用。钢绞线不仅具有非常高的抗拉强度，而且还具有很好的松弛性，在建筑行业当中起到了不可替代的作用。然而，与普通钢筋一样，钢绞线也会发生腐蚀，腐蚀后的钢绞线承载能力大大降低，腐蚀严重的钢绞线甚至会发生断裂，严重危及建筑结构的使用安全性。因此，必须对钢绞线的性能进行实时监测，对发生腐蚀断裂的钢绞线及时采取安全防护措施，避免由此引起的工程事故以及人员伤亡。
目前常用的预应力钢绞线腐蚀断裂监测的方法有声发射法、超声导波法、磁通量传感器监测法、频率计法以及应变片监测法。声发射法以及超声导波法监测范围不易确定，且采集信号容易受到环境因素的干扰，造成测量精度降低。磁通量传感器的内部线圈之间的磁场相互干扰，测量精度不高。频率计监测法要求被测对象仅做微幅振动且无横向外推力，容易受阻尼器等端部约束的影响，其应用受到限制。应变片监测是目前使用比较广泛的方法，但是在实际应用中存在耐久性差，使用寿命短的弊端，难以实现结构运营阶段的受力监测。
光纤传感器尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强，一些基于光纤的传感器也被用来监测钢绞线的腐蚀断裂。与传统的钢绞线腐蚀断裂监测方法相比，基于光子晶体光纤的预应力钢绞线腐蚀断裂监测的智能锚具制作简单，灵敏度高，测量结果可靠并且制作成本较低，同时还不会影响钢绞线的正常工作，其监测结果可为钢绞线耐久性评定以及加固维修提供重要依据。
实用新型内容
针对现有技术的问题，本实用新型提供了一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具，该智能锚具基于光子晶体光纤传感器制作而成，该光子晶体光纤传感器对局部不均匀压力变化敏感，可以通过对施加在其上的局部压力的变化实现间接监测钢绞线的腐蚀断裂情况。该装置的测量结果可靠，可以为钢绞线耐久性评定以及加固维修提供重要依据。
本实用新型的技术方案：
一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具，包括钢绞线1、工作夹片 2、工作锚环3、凹槽盖4、锚垫片5、螺旋筋6、波纹管7、光子晶体光纤压力传感器8和塑料软管9；其中光子晶体光纤压力传感器8由第一单模光纤10、光子晶体光纤11和第二单模光纤12熔接而成；其中第一单模光纤10和第二单模光纤12包括单模光纤纤芯13、单模光纤包层14、单模光纤涂覆层15和单模光纤塑料保护套16；光子晶体光纤11包括纤芯17、包层18、涂覆层19、塑料保护套20和包层空气孔道21；
所述的光子晶体光纤11的两端分别与第一单模光纤10和第二单模光纤12 相熔接；所述的第一单模光纤10一端与光子晶体光纤11熔接，另一端为自由端，用于连通光源发射仪以及光谱分析仪；所述的第二单模光纤12一端与光子晶体光纤11熔接，另一端的端面均匀沉积一层金薄膜25；
所述的工作锚环3与锚垫片5接触面的四周均匀开凿凹槽23，开槽位置与钢绞线1的分布位置一一对应；
所述的凹槽盖4为环形盖，中心预留孔洞，保证钢绞线顺利穿过；且凹槽盖4下表面固定有与工作锚环3上的凹槽23相互咬合的锯齿形卡齿24；
所述的工作锚环3和凹槽盖4之间的缝隙采用薄橡胶皮进行密封；
所述的光子晶体光纤压力传感器8置于工作锚环3的凹槽23内，凹槽23 与凹槽盖4上的锯齿形卡齿24相互顶紧，对中间的光子晶体光纤压力传感器8 形成预压力；
在所述的钢绞线1附近的凹槽23四周开凿一圈环形凹槽27，并与凹槽23 相连通，用来放置传感器末端的第一单模光纤10，多根传输单模光纤延环形凹槽27一起引出至锚环的外侧。
所述的第一单模光纤10未受压部分使用塑料软管9进行封装保护。
所述的锚环凹槽23与锚环3的半径之间存在一定夹角，避免光子晶体光纤压力传感器8在缠绕过程中发生断裂。
所述的光子晶体光纤压力传感器8对局部不均匀压力变化敏感，可灵敏监测锚环凹槽23和锯齿形卡齿24之间的压力变化。
所述的薄橡胶皮26用于密封凹槽盖4与工作锚环3之间的缝隙，薄橡胶皮 26弹性良好，保障智能锚具正常工作。
所述的凹槽盖上锯齿形卡齿24与锚环上凹槽23的尺寸保证既能向光子晶体光纤压力传感器8传递足够大小的力，也不会使其受压破坏。
所述的凹槽盖上锯齿形卡齿24为锯齿状，对光子晶体光纤压力传感器8中的光子晶体光纤部分局部施压；在光子晶体光纤压力传感器8未受压部分使用环氧树脂胶或薄橡胶皮26进行固定。
所述的锚环3上的开槽位置以及凹槽间距根据钢绞线的分布、钢绞线数量以及光子晶体光纤压力传感器灵敏度要求进行调整。
所述的光子晶体光纤压力传感器8的探头长度根据锚环3的尺寸以及监测灵敏度要求来调整。
所述的用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具的工作原理：
本实用新型的核心原理为光子晶体光纤干涉仪工作原理，如图6所示。在本实用新型中，由光源发射仪发射的光源传输至第一单模光纤10的纤芯13，从图6(a)可以看出，当在单模光纤中传播的光到达与光子晶体光纤(11)的拼接区域空气泡时，一部分光被反射回来；另一部分光穿过气泡，空气泡作为发散透镜而使光发生衍射，有一部分光被激发至包层中进行传输，形成包层模式。两种模式的光继续传输至第二单模光纤(12)，到达第二单模光纤(12)端部。第二单模光纤端部的金薄膜充当反射镜，将光反射回去，返回至第一单模光纤的光强为
IR＝I1+I2+2(I1×I2)1/2cos(Δφ)(1)
其中，I1和I2分别是光子晶体光纤11的纤芯17和包层18中光的光强。Δφ为总相位差，计算方法为
Δφ＝2πΔnLf/λ(2)
其中，Δn＝n1-n2，n1和n2分别是光子晶体光纤11纤芯17和包层18的折射率，Lf是光子晶体光纤11的长度，λ是光源光的波长。最后，得到的结果可用光的可见性v来表示
V＝-10·log10[1-2(k)1/2/(1+k)](3)
其中，k＝I2/I1。
在本实用新型中，当锚环3和锚垫片5相互积压时，锚垫片产生的预紧力F 会传递给凹槽盖4，再由凹槽盖4以压力的方式传递给光子晶体光纤压力传感器 8，使其受力导致微小孔洞21塌缩。受压塌缩之后为图6(a)，受压塌缩之前为图6(b)。微小孔洞21塌缩后，从第一单模光纤10传输到光子光纤11的传播光束沿纤芯17传播，接收到由反光镜25反射回的光信号v0，此光信号代表钢绞线未出现腐蚀断裂的情况。
当钢绞线腐蚀断裂，埋在其附近凹槽中的光子晶体光纤压力传感器的预紧力F损失，锯齿形卡齿24传递给光子晶体光纤压力传感器8的压力变小F’，受压塌缩的微小孔洞21变大，使其包层18折射率改变，对纤芯17中传播的光束产生影响，从而导致由第一单模光纤10输出的光信号发生变化。预紧力F反射光信号v存在一定的数学关系：
F＝f(v) (4)
公式(4)中的函数关系可以通过试验拟合出来。根据公式(4)，可以根据光信号变化程度推知钢绞线腐蚀断裂的情况。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型通过监测光子光纤受压大小，可以实现实时监测钢绞线腐蚀断裂情况；
2、本实用新型传感原理为光子晶体光纤干涉仪，具有高灵敏度，监测数据获取更快，更加真实可靠；
3、本实用新型操作方便，且不受环境等外界因素影响，测量结果更加准确可靠；
4、本实用新型中的光子晶体光纤压力传感器体积很小，将其埋入工作锚环中，不会影响钢绞线锚具的正常工作，可以实现对钢绞线腐蚀断裂的无损监测；
5、本实用新型操作简单，传感器布设方便，且造价低廉，适合推广，具有较高的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型用于监测钢绞线腐蚀断裂的智能锚具示意图；
图2为本实用新型用于监测钢绞线腐蚀断裂的智能锚具的B-B截面剖视图；
图3为本实用新型用于监测钢绞线腐蚀断裂的智能锚具的A-A截面剖视图；
图4为本实用新型用于监测钢绞线腐蚀断裂的智能锚具的工作锚环凹槽详图；
图5为本实用新型基于光子晶体光纤压力传感器示意图，(a)光子晶体光纤压力传感器示意图；(b)光子晶体光纤压力传感器C1-C1截面剖视图；(c) 光子晶体光纤压力传感器C2-C2截面剖视图；
图6为本实用新型用于监测钢绞线腐蚀断裂的智能锚具工作机理示意图，(a) 钢绞线腐蚀断裂前；(b)钢绞线腐蚀断裂后；(c)入射光谱与透射光谱示意图；
图7为本实用新型基于光子晶体光纤压力传感器的压力-反射光光强关系示意图；
图中：1钢绞线；2工作夹片；3工作锚环；4凹槽盖；5锚垫片；6螺旋筋； 7波纹管；8光子晶体光纤压力传感器；9塑料软管；10第一单模光纤；11光子晶体光纤；12第二单模光纤；13单模光纤纤芯；14单模光纤包层；15单模光纤涂覆层；16单模光纤塑料保护套；17纤芯；18包层；19涂覆层；20塑料保护套；21包层空气孔道；23锚环凹槽；24锯齿形卡齿；25金薄膜；26薄橡胶皮、环氧树脂胶或玻纤布。
具体实施方式
为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1-7所示，本实用新型提供一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具，其特征在于，该基于光子光纤的用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具包括钢绞线1、工作夹片2、工作锚环3、凹槽盖4、锚垫片5、螺旋筋6、波纹管7、光子晶体光纤压力传感器8和橡胶软管9；其中光子晶体光纤压力传感器由第一单模光纤10、光子晶体光纤11和第二单模光纤12熔接而成；其中第一单模光纤10和第二单模光纤12包括纤芯13、包层14、涂覆层15和塑料保护套16；光子晶体光纤(PCF)11包括纤芯17、包层18、涂覆层19、塑料保护套20和包层空气孔道21；
所述光子晶体光纤11的两端分别与第一单模光纤10和第二单模光纤12相熔接；所述第一单模光纤10一端与光子晶体光纤11熔接，另一端为自由端来连通光源发射仪以及光谱分析仪；所述第二单模光纤12一端与光子晶体光纤11 熔接，另一端的端面均匀沉积一层金薄膜25；
所述工作锚环3与锚垫片5接触面的四周均匀开凿凹槽23，开槽位置与钢绞线1的分布位置一一对应；
所述凹槽盖4为环形盖，中心预留孔洞保证钢绞线可顺利穿过；且凹槽盖4 下表面固定与工作锚环3凹槽23相互咬合的锯齿形卡齿24；
所述工作锚环3和凹槽盖4之间的缝隙采用薄橡胶皮进行密封；
所述光子晶体光纤压力传感器8置于工作锚环的凹槽23内，凹槽23与凹槽盖4上的锯齿形卡齿24相互顶紧，对中间的光子晶体光纤压力传感器8形成预压力。
在所述钢绞线1附近的凹槽23四周开凿一圈环形凹槽27，并与凹槽23相连通，用来放置传感器末端的第一单模光纤10，多根传输单模光纤延环形凹槽 27一起引出至锚环的外侧。
所述第一单模光纤未受压部分使用塑料软管9进行封装保护。
锚环凹槽23与锚环3的半径之间存在一定夹角，避免光子晶体光纤压力传感器8在缠绕过程中发生断裂。
所述光子晶体光纤压力传感器8对局部不均匀分布压力敏感，可以灵敏监测锚环凹槽23和锯齿形卡齿24之间的压力变化。
进一步的，所述薄橡胶皮26用于密封凹槽盖4与工作锚环3之间的缝隙，所述薄橡胶皮26弹性良好，能够保障智能锚具正常工作。
进一步的，所述凹槽盖上锯齿形卡齿24与锚环上凹槽23的尺寸适当，既能向光子晶体光纤压力传感器8传递足够大小的力，也不会使其受压破坏。
进一步的，所述凹槽盖上锯齿形卡齿24为锯齿状，对光子晶体光纤压力传感器8中的光子晶体光纤部分局部施压；在传感器未受压部分的适当位置使用环氧树脂胶或薄橡胶皮26进行固定。
进一步的，所述锚环3上的开槽位置以及凹槽间距根据钢绞线的分布、钢绞线数量以及光子晶体光纤压力传感器灵敏度要求进行调整。
进一步的，所述光子晶体光纤压力传感器8的探头长度根据锚环3的尺寸以及监测灵敏度要求来调整。
对钢绞线腐蚀断裂进行监测，根据钢绞线锚具中钢绞线分布位置安置好光子晶体光纤压力传感器，扣合凹槽盖在工作锚环面上，使得凹槽盖上的卡齿与锚环面上的凹槽相互咬合，用薄橡皮条封装好凹槽盖与工作锚环四周的缝隙，拧紧锚环与锚垫片，接收此时光子晶体光纤的反射光信号，此后，实时对此光信号进行监测，若光信号发生变化，则说明出现预紧力损失，需要采取措施进行防护。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
