CN101245990B - 全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法，其系统包括布里渊传感解调仪、光纤光栅解调仪、光开关(或耦合器)和FRP-FBG-OF传感探头等部分。在一根可任意长的普通单模光纤上写入一个或多个光纤光栅，并通过FRP封装制作成传感探头，然后采样光开关或耦合器分别接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式测试系统构成智能传感监测系统，实现结构损伤的大规模、全分布、局部高精度测试，达到重大工程全尺度的损伤定位和定量测试，并相互校验的效果，为结构安全评定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特别适用于分布范围广、距离长、位置隐蔽等特征的结构损伤监测对象，具有系统简洁、成本低、可操作性强、稳定性和耐久性好、结果可靠等优点。

Description

全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法

(一)技术领域

本发明涉及结构智能监测领域，具体涉及一种全尺度布里渊分布式测试与局部高精度光纤布拉格光栅共线复合的光纤传感技术。

(二)背景技术

重大基础设施，如空间结构、桥梁、隧道、水工堤岸、天然气或石油管道、高速公路、铁路、边坡、生命线管道等大型、大跨度结构物，在各种荷载和外部环境的共同作用下会发生损伤，严重影响结构的安全性、耐久性和舒适性。这种类型结构损伤往往具有分布范围广、距离长、监测部位隐蔽等分布式特点，以致传统的高精度单点式或准分布式监测手段难以胜任，而单纯的分布式监测技术在目前尚存在精度较低、系统价格昂贵、外界干扰不够稳定等缺点。如能将两者结合，充分发挥两者的优点，避免单一技术的缺点，形成一种兼顾全尺寸大规模分布式的较高精度测试和局部高精度、高稳定性测试技术，并实现共线，为大跨、长距离的重大工程结构提供一种方便、可靠的监测方法和技术，并大大降低传感原件的成本，提高实际工程的可操作性。

分布式光纤传感技术是上世纪70年代后期发展起来的一项新技术，其中基于瑞利散射和拉曼散射原理的分布式传感技术研究已经比较成熟，但是基于布里渊散射技术的分布式传感技术在应变、温度测试精度和空间分辨率方面远远高于其它分布式传感技术。自从1989年，Horigchui和Culverhouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性实现分布式温度和应变传感以来，利用布里渊散射光来检测光纤沿线应变和温度技术目前已成为一些发达国家如日本、加拿大和美国等国家竟相发展的课题，并取得了一些成绩。经过近10多年的发展，基于布里渊传感技术的应变、温度监测系统的空间分辨率已达到10cm，应变测试精度±6με，温度测试精度1℃，传感距离80公里。布里渊分布式光纤传感技术除具有普通光纤传感的如抗电磁场干扰、电绝缘性好、不受潮湿环境影响、耐久性好、耐腐蚀性好量轻、体积小、对结构影响小、绝对测量等优点外，其显著的特点是采用普通的单模光纤作为其敏感元件，传感探头成本低，此外可以准确测出光纤沿线上任一点被测量场在时间，空间上的分布信息，是真正意义上的大规模全分布式监测系统。利用这一技术可以方便对大型、超大型结构进行大规模全分布式的应变、温度监测。而光纤布拉格光栅传感器具有测试精度高，准分布式测量、可实时监测等特点，目前已经广泛应用到实际工程，取得良好的效果。在实际工程应用和实验室研究中，有相关研究学者将高精度的光纤光栅传感器与布里渊分布式技术简单组合在一起对结构进行应变监测，这种组合方式是一种结构式组合，即在结构上除布设分布式传感光纤外，另额外在结构一些重要位置布设高精度的局部光纤光栅传感器，该监测系统传感器布设相对困难、线路复杂以及布设成本高，且可靠性较低。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有系统简洁、成本低、可操作性强、稳定性和耐久性好、结果可靠等优点的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法。

本发明的目的是这样实现的：在一根可任意长的普通单模光纤上写入一个或多个光纤光栅(命名为FBG-OF)，并通过FRP封装制作成传感探头，然后采样光开关或耦合器分别接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式测试系统(BOTDA或BOTDR解调仪)构成智能传感监测系统(命名为FBG-BOTDA(R))，应变测量时，传感探头FRP-FBG-OF通过光开关或耦合器与光纤光栅解调仪器和布里渊分布式传感数据采集仪器分别连接，通过布里渊分布式传感技术对结构进行全尺度的损伤定位和较高精度的定量分析；通过布设在结构易损部位的局部高精度FBG探头对易损部位重点、实时监测，获得高精度信息。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的智能传感监测系统包括光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器、光开关或耦合器和支持该光纤传感系统的FRP-FBG-OF传感探头；

2、所述的FRP-FBG-OF传感探头，FRP筋中平行布设一根光纤和一根写入一个或多个光纤光栅的光纤；

3、所述的FRP-FBG-OF传感探头，FRP筋中布设一根写入一个或多个光纤光栅的光纤；

4、所述的FRP-FBG-OF传感探头，在传感筋的尾端露出一段铠装光纤连接其它光纤或在传感筋的一端将露出的尾纤熔接构成环路；

5、所述的光纤传感方法和FBG-FRP-OF传感筋，FBG在传感探头FBG-FRP-OF中位置与结构易损位置或关键位置相对应，FBG数量由监测要求确定；

6、所述的应变测量分析方法时，通过高精度FBG测试值对相应位置处的布里渊传感测量结果进行修正，减小布里渊系统由于空间分辨率较低带来的测量误差。

本发明提供的是一种将布里渊分布式传感技术和局部高精度光纤光栅技术有效结合起来构建全尺度分布式和局部高精度共线的智能监测方法与技术，其系统包括布里渊传感解调仪、光纤光栅解调仪、光开关(或耦合器)和FRP-FBG-OF传感探头等部分。在一根可任意长的普通单模光纤上写入一个或多个光纤光栅(命名为FBG-OF)，并通过FRP封装制作成传感探头，然后采样光开关或耦合器分别接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式测试系统(BOTDA或BOTDR解调仪)构成智能传感监测系统(命名为FBG-BOTDA(R))，实现结构损伤的大规模、全分布、局部高精度测试，达到重大工程全尺度的损伤定位和定量测试，并相互校验的效果，为结构安全评定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特别适用于分布范围广、距离长、位置隐蔽等特征的结构损伤监测对象，具有系统简洁、成本低、可操作性强、稳定性和耐久性好、结果可靠等优点。

本发明针对传统的高精度单点式或准分布式监测手段难以胜任具有分布范围广、距离长、位置隐蔽等特征的结构损伤监测，而单纯的分布式监测技术在目前尚存在精度较低、系统价格昂贵、外界干扰不够稳定等缺点，提出将布里渊分布式传感技术和局部高精度光纤光栅技术有效结合起来构建全尺度分布式和局部高精度共线的智能监测方法与技术。本发明的目的是这样实现的：在一根可任意长的普通单模光纤上写入一个或几个光纤光栅(命名为FBG-OF)，作为传感探头通过光开关或耦合器接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA或BOTDR解调仪)构成智能传感监测系统(命名为FBG-BOTDA(R))，实现结构损伤的大规模、全分布、局部高精度测试效果，达到重大工程全尺度的损伤定位和定量测试，为结构安全评定提供直接、可靠的信息。

FBG-BOTDA(R)系统由光纤光栅(FBG)解调仪、布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))、光开关(或耦合器)和传感探头FBG-OF组成。其中光纤光栅解调仪的主要功能是将FBG-OF中的光纤光栅中心波长解调出来；布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))的主要功能是将FBG-OF中的光纤的布里渊频移解调出来；光开关(或耦合器)的作用是把FBG-OF接入光纤光栅解调仪或布里渊分布式传感数据采集仪以及增加系统的测试通道数。

基于上述思路，本发明构建的FBG-BOTDA(R)系统的工作流程是，在测试时，通过光开关(或耦合器)将传感探头FBG-OF接入FBG-BOTDA(R)系统。每次测量时，通过光开关将FBG-OF与FBG-BOTDA(R)系统中的其中一个解调设备连接或通过耦合器并联同时监测。这样，FBG-OF就可以分别被光纤光栅(FBG)解调仪和布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))解调出来。需要注意的是，布里渊分布式传感解调系统(BOTDA或BOTDR)的工作波段与光纤光栅解调仪的工作波段有一定重叠，实际同步工作时尽可能错开波段，以免信号相互干扰。

为满足实际工程需要，克服裸光纤纤细轻柔、抗剪能力差，不能适应混凝土等结构粗放式生产方式与恶劣的服役环境的缺点，将FBG-OF直接复合到纤维增强塑料(FRP)中制成FRP-FBG-OF筋，FRP纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性，可以很好的保护裸光纤，提高传感探头的抗拉强度、耐腐蚀性、耐久性。

针对BOTDR系统单端测量和BOTDA系统双端测量的要求，可以在FRP筋复合一根裸光纤OF和一根FBG-OF，FRP筋一端光纤用光纤熔接仪熔接构成环路，用特定装置保护，保护直径大于2.2cm，防止弯曲半径过小，造成光损耗过大，影响测试效果。

本发明旨在综合局部高精度光纤布拉格光栅传感技术和布里渊分布式传感技术的优点，发挥布里渊分布式传感对大型的结构损伤定性或较低精度定量分析，以及光纤布拉格光栅传感器局部高精度的结构损伤定量分析是解决智能监测领域高精度和分布式光纤传感共存问题的最有效途径。由该技术构建的结构智能监测系统可以节约布设成本、传感传输线路简单以及可操作性强，特别适合大范围、长距离的实际工程。目前，尚没有将光纤光栅传感技术和全尺度布里渊分布式合二为一共线构建智能传感系统的报道。发明者已经通过试验证实了该方法的有效性，获得了理想的效果。

本发明的最大优点是直接将全尺度布里渊分布式技术和局部高精度的光纤光栅技术通过布里渊感知光纤与FBG共线的方式有效的结合起来构建FBG-BOTDA(R)智能传感监测系统。该系统除传感探头布设简单、成本低等优点外，一方面克服了高精度光纤光栅监测方法与技术无法满足大尺度结构损伤定位与定量分析的缺点，弥补了布里渊技术较低的测试精度；另一方面，FBG的高采样率实时监测弥补了布里渊分布式监测系统采样频率低、实时性差的缺点。实际工程应用中，将FRP-FBG-OF安装在结构表面或内部，结合布里渊分布式技术的全尺度分布式监测对结构损伤定性、定性分析，以及通过局部高精度的光纤光栅对结构易损或关键部位的结构损伤定量分析，可以方便的把握结构的整体损伤情况。此外，还可以通过高精度的光纤光栅监测结果修正布里渊分布式监测结果，保证系统的可靠性和有效性。

(四)附图说明

图1-图2是本发明的实施方案(或FBG-BOTDA(R)系统构建方案)结构两种示意图；

图3和图4是本发明实施方案中传感探头FRP-FBG-OF筋的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述：

图1是布里渊与光纤光栅通过光开关共线的光纤传感系统。图2是布里渊与光纤光栅通过光纤耦合器的光纤传感系统。该系统包括FBG解调仪、BOTDA或BOTDR解调仪、光开关、传输铠装跳线和中央处理系统(PC)。应变测量时，BOTDA(R)和FBG解调仪分别解调FRP-FBG-OF传感器。通过BOTDA(R)测量系统可以对结构沿传感探头位置的应变进行全分布式监测，实现结构损伤定位和初步定量。通过FBG解调仪可以对结果易损或关键位置进行重点监测，对损伤定量分析。FBG在传感探头FRP-FBG-OF中的位置和数量可以根据实际工程监测需要确定，一般FBG在FRP-FBG-OF的位置与待监测结构的易损或关键位置相对应，即把FBG布设在结构的易损或关键位置，对关键位置进行重点、实时监测。

图3以及图4是FBG-BOTDA(R)智能系统中FRP-FBG-OF传感探头的结构形式，其中1-铠装传输跳线，2-光纤光栅(FBG)，3-裸光纤(OF)，4-FRP-FBG-OF传感探头，5-光纤耦合器，6-测试对象组成部分包括纤维增强塑料(FRP)筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤OF和FBG-OF。本发明的产品可以采用这样的方法来制作：将光纤和刻有光纤光栅的光纤与泡过环氧树脂的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体。考虑光纤的封装保护，光纤作为中间束送入，成形后光纤正好处于纤维增强塑料的正中间。工程应用或试验需要时，可预先将一个或多个光栅写入光纤的某一位置。将加工成形的纤维增强塑料—光纤传感筋(FRP-FBG-OF)切割成任意所需的长度，根据结构监测对象制成各种不同形式的FRP-FBG-OF传感探头，可以分为：表面粘贴式FRP-FBG-OF、端部扩径埋入式FRP-FBG-OF和筋式直接埋入式FRP-FBG-OF等型式。

Claims (1)

1.一种全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感方法，其特征是：在一根可任意长的普通单模光纤上写入至少一个光纤光栅，并通过FRP封装制作成传感探头，然后采样光开关或耦合器分别接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式测试系统构成智能传感监测系统，应变测量时，传感探头FRP-FBG-OF通过光开关或耦合器与光纤光栅解调仪器和布里渊分布式传感数据采集仪器分别连接，通过布里渊分布式传感技术对结构进行全尺度的损伤定位和较高精度的定量分析；通过布设在结构易损部位的局部高精度FBG探头对易损部位重点、实时监测，获得高精度信息；所述的智能传感监测系统包括光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器、光开关或耦合器和支持该光纤传感系统的FRP-FBG-OF传感探头；所述的FRP-FBG-OF传感探头，FRP筋中平行布设一根光纤和一根写入一个或多个光纤光栅的光纤，所述的FRP-FBG-OF传感探头在传感筋的尾端露出一段铠装光纤连接其它光纤或在传感筋的一端将露出的尾纤熔接构成环路；所述的光纤传感方法和FBG-FRP-OF传感筋，FBG在传感探头FBG-FRP-OF中位置与结构易损位置或关键位置相对应，FBG数量由监测要求确定；所述的应变测量分析方法时，通过高精度FBG测试值对相应位置处的布里渊传感测量结果进行修正，减小布里渊系统由于空间分辨率较低带来的测量误差。

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