CN101435780B - 冰结构的光纤智能监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冰结构的光纤智能监测方法。本发明提供的是基于布里渊分布式传感技术和局部高精度光纤光栅技术单项或共线的冰结构智能监测方法与技术。该技术方法基于光纤传感探头耐潮湿，传感距离长以及低温环境下良好的线性度和重复性以及全分布式绝对测量等优点，将一根写入若干个光纤光栅的光纤传感探头或基于纤维增强塑料封装的FRP-OFBG智能筋布设在冰结构中，实现结构损伤的大规模、全分布、局部高精度测试，为冰结构安全评定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特别适用于冰结构或承受冰荷载的结构长期监测，具有系统简洁、成本低、可操作性强、稳定性和耐久性好、传感器布设方便可靠等优点。

Description

冰结构的光纤智能监测方法

(一)技术领域

本发明涉及结构损伤监测方法与技术领域，具体涉及一种冰结构的光纤智能监测技术。

(二)背景技术

冰作为水的一种固态形式，是自然界存在的一种现象，随着严寒地区海洋资源的开发和利用，桥梁、港口等水工建筑的兴建以及各种巨型冰雪建筑的兴建，在多变的气候下冰对这些结构的作用以及冰自身特性的变化是影响这些结构设施的安全性、可靠性的重要因素。1912年，泰坦尼克号与冰山相撞沉于海底，造成1500人死亡；1962-1963年美国阿拉斯加克湾的两座海洋石油平台被冰推到；1969年，中国渤海石油公司的“海二井和海四井”平台在海冰的作用被推到；1991年春，美国缅因州的一座钢筋混凝土大桥被流冰撞击捣毁；2008年初，一场特大冰冻灾害波及近半个中国，造成上万亿的经济损失。宏观上看冰的成分比较单一，但是其力学性能比较特殊，受分子中氢键的脆弱程度和晶构几何特性的影响，同时具有弹性、塑性、流变性和各项异性。同时其力学性能受多种因素的影响，如温度、荷载作用速率等，如在不同速率的作用下，冰表现出不同的破坏特征，而且在与不同的结构形式发生作用时，冰的破坏形式也不尽相同。由于冰形成条件(低温)以及组成成分(水)的特殊性，以致传统监测手段(如电测，GPS实时监测等技术)难以对冰结构受力特性进行长期可靠的监测。

光纤传感技术作为现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门新技术，具有抗电磁场干扰、耐潮湿、传输距离长以及绝对测量等优点，尤其是局部高精度光纤光栅传感和分布式布里渊光纤传感技术在航空航天、土木工程、复合材料等领域得到大量的研究和应用，为特殊结构冰荷载和冰结构的长期监测提供了基础。已有的研究表明，光纤在-50℃低温环境下对温度和应变能保持良好的线性度与稳定性，且光纤与冰结构可以天然结合，布设非常方便，此外，大跨度、耐潮湿、分布式等技术特征，非常适于冰结构进行监测。

(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、传感器布设方便可靠等优点的冰结构的光纤智能监测方法。

本发明的目的是这样实现的：将普通裸光纤或FRP-OFBG智能筋和写入若干个光栅的光纤传感探头，埋入冰结构，形成可以获取信息的智能结构系统；在待监测的冰结构的部件上布设写入至少一个光纤光栅的长通信单模光纤或经过FRP封装的FRP-OFBG共线传感探头，通过布里渊测量系统对结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现结构损伤定位和较低精度测量，同时通过光纤光栅解调系统对关键位置高精度准确定量测量。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的传感探头选取FRP-OFBG探头；

2、所述的光纤传感器与冰结构直接用水粘贴。

本发明是一套冰结构的光纤智能监测技术，即针对冰结构的特殊性，如服役环境恶劣、服役周期受温度影响制约、结构组成的特殊性，其长期监测传感器必须满足长期耐久性、绝对测量、分布式(或准分布式)等特征的要求，提出将光纤布里渊全尺度传感技术和准分布式高精度光纤布拉格光栅测试技术相结合构建单项或全尺度分布式和局部高精度共线技术对冰结构进行长期监测。本发明是这样实现的：在监测对象(冰结构或承受冰荷载结构)的表面或内部布设含光栅的光纤传感器，光纤光栅位置与结构的易损点或受力最不利位置对应，通过布里渊测量系统对结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现结构损伤定位和较低精度定量。同时，通过光纤光栅解调系统对关键位置高精度准确定量测量，从而可以把握结构损伤的大规模、全尺度的整体损伤信息，并对局部关键点准确掌握，为结构安全评定提供直接、可靠的信息。

本发明包括以下主要特点：1)采用局部高精度光纤光栅传感器和大规模全尺度光纤布里渊传感器共线技术，该监测技术解决了传统的高精度单点或准分布式光纤布拉格光栅监测手段难以胜任量大面广的工程要求和全尺度布里渊应变测试技术还存在精度、系统昂贵、采样频率低等缺点；2)采用写入一根或若干根光纤光栅的光纤作为传感探头，光纤传感器具有纤细轻柔、体积小、耐潮湿、传输距离长以及绝对测量等优点，布设在冰结构上简单方便，与结构协调变形能力好；3)采用基于普通光纤或适于恶劣环境的纤维增强塑料封装的FRP-OFBG智能筋作为其传感探头，适合大型冰结构或承受冰荷载的结构的长期监测；4)光纤光栅与布里渊应变感知的温度互补偿技术，解决了光纤光栅与布里渊共线技术中绝对温度补偿技术成本高、不易布设等问题，大大节约了基于共线技术监测系统的传感与传输线路极其布设成本，适于实际工程应用；5)串联复用多个光纤光栅，即可实现准分布式测量，光纤光栅中心波长相差1-2nm。

本发明包括冰结构的光纤布里渊全尺度测试和局部高精度光纤光栅测试技术。本发明提供的是基于布里渊分布式传感技术和局部高精度光纤光栅技术单项或共线的冰结构智能监测方法与技术。该技术方法基于光纤传感探头耐潮湿，传感距离长以及低温环境下良好的线性度和重复性以及全分布式绝对测量等优点，将一根写入若干个光纤光栅的光纤传感探头或基于纤维增强塑料封装的FRP-OFBG智能筋布设在冰结构中，实现结构损伤的大规模、全分布、局部高精度测试，为冰结构安全评定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特别适用于冰结构或承受冰荷载的结构长期监测，具有系统简洁、成本低、可操作性强、稳定性和耐久性好、传感器布设方便可靠等优点。

(四)附图说明

图1为基于全尺度分布式和局部高精度共线的冰结构智能监测系统示意图；

图2为冰标准件传感器布设示意图；

图3为基于光纤传感测试技术的冰构件传感器布设示意图；

图4为冰结构光纤传感器布设工艺流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

图1-图4中：1-铠装传输跳线，2-光纤光栅传感器，3-光纤或FRP-OFBG智能筋，4-待测对象，5-光纤光栅与布里渊共线系统，6-冰结构标准试件，7-冰梁结构。

结合图1，将共线传感探头光纤光栅2或FRP-OFBG智能筋3布设到待测试结构4上，并将光纤光栅位置与结构易损位置相对应，通过光纤光栅和布里渊共线测量系统5对结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现结构损伤定位和较低精度定量，同时对结构易损位置高精度准确定量测量。

结合图2，基于国际水利学会(IAHR)标准，对冰标准构件进行力学抗拉压试验，光纤光栅粘贴在构件的对称面，防止偏载；结合图3，光纤光栅的位置与结构的易损点或弯矩最大位置处对应，如冰梁；

结合图4，光纤传感器的布设工艺流程为：清理修整待测试结构传感器布设位置；沿传感器布设位置开深度约5mm左右的细槽；将光栅与待测对象的易损点对应；浇水粘贴光纤传感器；冷却冻结。实际工程应用的时候，根据监测对象的待监测位置，定制相应的写有若干个光纤光栅的光纤，确保光栅的位置与结构的易损点相对应，光纤光栅的中心波长相差1-2nm，避免受力时，波长互相叠加；光纤传感器布设在结构表面时，开槽深度约5mm，一是保证光纤传感器与结构协同变形，二是避免环境温度变化过大，由于冰的消融，导致光纤传感器布设不深而与结构脱离，过早的失去功效。

本实施例中布里渊光纤与光纤光栅构建共线系统的具体构建过程采用专利技术《全尺度分布式与高精度共线的光纤传感方法》的方法，专利申请号为：200810064168.3。

Claims (1)

1.一种冰结构的光纤智能监测方法，其特征在于：

将光纤光栅共线传感探头(2)或基于纤维增强塑料封装的FRP-OFBG智能筋共线传感探头(3)布设到待测试冰结构(4)上，形成可以获取信息的结构系统，光纤光栅传感探头为写入至少一个光纤光栅的长通信单模光纤，并将光纤光栅位置与待测试冰结构易损位置相对应，通过光纤光栅和布里渊共线测量系统(5)对结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现结构损伤定位和较低精度定量，同时通过光纤光栅解调系统对关键位置高精度准确定量测量；

布设工艺流程为：清理修整待测试冰结构传感探头布设位置；沿传感探头布设位置开深度约5mm的细槽；将光栅与待测对象的易损点对应；浇水粘贴传感探头；冷却冻结；实际工程应用的时候，根据监测对象的待监测位置，定制相应的写有若干个光纤光栅的光纤，确保光栅的位置与结构的易损点相对应，光纤光栅的中心波长相差1-2nm，避免受力时，波长互相叠加；传感探头布设在结构表面时，开槽深度约5mm，一是保证传感探头与结构协同变形，二是避免环境温度变化过大，由于冰的消融，导致传感探头布设不深而与结构脱离，过早的失去功效。

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