CN101713638B - 埋入式长距离光纤传感器的标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋入式长距离光纤传感器的标定方法，包括如下步骤：A)沿钢筋混凝土梁的长度方向预埋受拉微管和受压微管；B)在所述的受拉钢筋和受压钢筋表面分别粘贴电阻式应变片；C)浇筑钢筋混凝土梁后，穿入待标定的传感光纤；D)向钢筋混凝土梁的外表面粘贴电阻式应变片；E)向钢筋混凝土梁的跨中位置施加荷载；F)采集每个荷载等级下的光纤的应变数据并进行温度补偿；G)采集每个荷载等级下的所有的电阻式应变片的应变数据；H)通过最小二乘法对步骤F)和步骤G)得到的数据进行拟合，得到待标定的传感光纤的应变传递系数。本发明可标定不同管径的微管及不同类型传感光纤组成的埋入式长距离光纤传感器，实现结构应变的精确测量。

Description

埋入式长距离光纤传感器的标定方法及装置

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测领域，尤其涉及埋入式长距离光纤传感器的标定方法及装置。

背景技术

工程结构如桥梁、堤坝、隧道、管道等在其服役期间，由于环境荷载作用、材料性能劣化等不利因素的影响，不可避免地会产生承载力下降、变形超限等损伤。工程结构特别是大型结构具有损伤位置不确定的特点，同时所处环境条件复杂，传统监测手段如电阻应变片、钢弦应变计难以实现结构物全面、长期应变监测。基于布里渊频移的分布式光纤传感技术具有分布式、长距离、高精度、实时性和耐久性等特点，合理设计监测网络能实现工程结构健康状况的全面、长期、稳定、实时的应变监测。通过先期预埋微管后期气吹、灌浆技术可实现长距离传感光纤埋入安全、稳定的混凝土内部的目标。

传感光纤由传感纤芯、包层、涂覆层组成，纤芯与结构基体之间是通过剪力传递应变，各传递层之间的弹性模量差值造成纤芯感应到的应变与结构实际应变存在差异。埋入式长距离光纤传感器采用在微管内灌入水泥净浆作为粘结层固定传感光纤，剪力传递模型属于多层界面传递模型，但该模型中水泥净浆填充层的弹性模量和纤芯及基体材料的弹性模量相近，因此结构应变传递到纤芯时需考虑各中间层的弹性模量。根据理论模型可推出个传递层间的应变传递关系，但不同紧套光纤的涂覆层、包层及微管的弹性模量差异均会引起应变传递系数的不同，因此需通过标定将传感光纤测得的应变准确映射到结构基体中。

中国发明专利200410041996.7中通过等强度悬臂梁、温度补偿板、静力加载系统、动力加载系统、动静态应变参考测量系统、三点挠度测量系统及数据分析软件率定了分布式光纤传感器的参数指标。该发明需将传感光纤牢固粘贴在等强度梁表面，而埋入式长距离光纤传感器直径为16mm，无法使用该发明标定埋入式长距离光纤传感器的参数指标。

发明内容

本发明提供一种埋入式长距离光纤传感器标定方法及装置，将传感光纤测得的应变准确映射到结构基体中，实现工程结构应变的精确测量。

一种埋入式长距离光纤传感器的标定方法，包括如下步骤：

A)沿钢筋混凝土梁的长度方向中预埋受拉微管和受压微管；

所述的钢筋混凝土梁内至少设有一根为沿钢筋混凝土梁的长度方向布置的受拉钢筋，该受拉钢筋靠近钢筋混凝土梁的底面；

所述的钢筋混凝土梁内至少设有一根为沿钢筋混凝土梁的长度方向布置的受压钢筋，该受压钢筋靠近钢筋混凝土梁的顶面；

这里所述的靠近钢筋混凝土梁的底面以及靠近钢筋混凝土梁的顶面仅仅是两者的相对而言，至于其与钢筋混凝土梁的顶面及底面的绝对距离并没有严格限制。

所述的受拉微管与受拉钢筋同钢筋混凝土梁底面的距离相等，一般为25mm；

所述的受压微管与受压钢筋同钢筋混凝土梁顶面的距离相等，一般为25mm；

所述的钢筋混凝土梁一般长度至少2.5米，高度至少为300mm，宽度一般至少250mm。

B)在所述的受拉钢筋和受压钢筋表面分别粘贴电阻式应变片；

所述的受拉钢筋表面的电阻式应变片位于钢筋混凝土梁的跨中位置；

所述的受压钢筋表面的电阻式应变片位于钢筋混凝土梁的跨中位置；

C)浇筑钢筋混凝土梁后，分别向受拉微管和受压微管中穿入待标定的传感光纤，再向受拉微管和受压微管内灌入水泥浆；

所述的待标定的传感光纤位于受拉微管和受压微管的轴线部位；

所述的水泥浆的配合比为：水泥∶水∶高效减水剂(FDN型)∶缓凝剂(MNC-HH)∶膨胀剂(UEA-8)∶引气剂(MNC-AE2)＝1000g∶400g∶11g∶2g∶80g∶0.15g。

D)向钢筋混凝土梁的外表面粘贴5个电阻式应变片；所有电阻式应变片沿钢筋混凝土梁的长度方向均位于跨中位置；在钢筋混凝土梁的高度方向上所述的5个电阻式应变片分别位于钢筋混凝土梁的底面、顶面、中心、与受拉微管同高度处和与受压微管同高度处。

E)采用长度为1m～1.2m的工字钢梁作为荷载分配梁向所述的钢筋混凝土梁的跨中位置施加荷载，使钢筋混凝土梁产生1m的纯弯曲段；施加荷载时共分为6～20个荷载等级，每个加载等级持荷10分钟；

F)采集每个荷载等级下的受拉微管和受压微管中光纤的应变数据并进行温度补偿；

G)采集每个荷载等级下的所有电阻式应变片的应变数据；

H)通过最小二乘法对步骤F)和步骤G)得到的数据进行拟合，得到待标定的传感光纤的应变传递系数。

为了实现本发明的标定方法，还提供了一种埋入式长距离光纤传感器的标定装置，包括

预埋待标定传感光纤的钢筋混凝土梁；

静力加载系统，用于向钢筋混凝土梁施加荷载；

位于钢筋混凝土梁表面及内部的应变感应部件(电阻式应变片)；

数据采集系统，用于采集并处理应变感应部件和待标定传感光纤的应变数据。

待标定传感光纤可以通过外包微管的方式预埋在钢筋混凝土梁中，待标定传感光纤以及应变感应部件在钢筋混凝土梁中的分布均可以参见本发明的标定方法中的叙述。

所述的静力加载系统，包括荷载支架、位于荷载支架上用于承载钢筋混凝土梁的简支支座、用于向钢筋混凝土梁施加荷载的荷载分配梁以及用 于产生荷载的施力装置。

本发明采用的标定梁为矩形截面钢筋混凝土梁，在钢筋拌扎阶段在混凝土受拉区及受压区分别拌扎预埋微管，同时在受拉及受压钢筋表面粘贴电阻式应变片，起到标定同高度位置传感光纤的目的。标定梁浇注完毕后，将传感光纤穿过微管并使用夹具将传感光纤铺设在微管中心，将水泥浆灌入微管以固定传感光纤。待水泥净浆养护7天后将标定梁吊装至加载设备，并在混凝土表面粘贴电阻应变片以标定同高度传感光纤。标定梁的两侧用稀石灰刷白，用以观察标定梁开裂及破坏情况。光纤应变测量过程中环境温度的变化会影响测量精度，因此在标定梁附近放置长为200m的自由传感光纤作为温度补偿光纤。各光纤之间通过光纤熔接机连接成整体，用OTDR检测线路连接情况，完成后接入光纤应变数据采集仪。采用长度为1m～1.2m的工字钢梁作为荷载分配梁使标定梁产生1m的纯弯曲段，并由力传感器及液压千斤顶控制荷载大小及加载速率。

在完成标定梁吊装及传感元件安装后，首先对标定梁进行预加载检查标定仪表是否正常。测得初始应变值后对标定梁进行了两点加载弯曲试验，共分为6～20个荷载等级，每个加载等级持荷10分钟，每个荷载等级下由BOTDA连续测试三次应变数据作为该荷载等级下的光纤应变，并由电阻应变采集仪、百分表记录标定梁的真实应变信息，同时采用裂缝观测仪观察裂缝位置及宽度。最后将考虑温度补偿后的光纤应变同电阻应变片的监测数据通过最小二乘法拟合相互关系，得到应变传递系数。

本发明提供了埋入式长距离光纤传感器标定方法及装置，将传感光纤测得的应变准确映射到结构基体中，可标定不同管径的微管及不同类型传感光纤组成的埋入式长距离光纤传感器，实现结构应变的精确测量。

附图说明

图1为本发明标定的埋入式长距离传感光纤的结构示意图以及力学模型图。

图2为埋入式长距离传感光纤加载及标定装置的结构示意图。

图3为钢筋混凝土梁内待标定的传感光纤以及电阻式应变片的布置图。

图4为向钢筋混凝土梁内的受拉微管或受压微管进行灌浆的示意图。

图5为进行灌浆时传感光纤固定装置的示意图。

图6为采用本发明标定方法的结果示意图。

具体实施方式

本实施例中微管直径为16mm的铝塑管复合管，传感光纤为4mm紧套光纤，埋入式长距离传感光纤采用在微管内灌入水泥浆作为粘结层固定传感光纤，其结构模型及力学模型如图1所示。埋入式光纤传感器为多层界面传递模型，但该模型中水泥浆填充层d的弹性模量和纤芯a及基体材料的弹性模量相近，因此结构应变传递到纤芯时需光纤涂覆层b、包层c及微管e的弹性模量。各层之间通过剪力传递应变，根据普遍的剪滞理论并假设各层之间同步变形，可得到光纤应变用基体应变之间的相互关系如下所示：

$k^2=\frac{2}{r_g^2{E}_g\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{G_i}[(1+\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_{i-1}^2-r_{i-2}^2}{r_g^2}\frac{E_{i-1}}{E_g}-\frac{E_i}{E_g})\ln \left(\frac{r_i}{r_{i-1}}\right)+\frac{r_i^2-r_{i-1}^2}{{2r}_g^2}\frac{E_i}{E_g}]---\left(1\right)}$

式中ε_g(x)为光纤纤芯应变，ε_m为基体应变，E_i为各中间层弹性模量，G_i为各中间层剪切模量，r_i为各中间层半径。目前，BOTDA技术的最小空间分辨率为0.5m，因此考察光纤传感器粘结长度0.5m以上的应变传递情况。一般认为应变传递系数大于0.9，则纤芯应变能代表基体应变，依据材料参数表1及式1可知，当粘结长度为0.5m、1.0m、1.5m时，分别有80％、90％、93％的传感光纤满足应变传递系数大于0.9的要求。然而各材料的参数很难准确测量，同时不同紧套光纤的涂覆层、包层及微管的弹性模量差异均会引起应变传递系数的不同。因此，为实现结构应变的准确测量，采用本发明的埋入式长距离传感光纤标定方法及装置进行标定。

表1材料参数表

如图2所示，本实施例中采用的钢筋混凝土梁即标定梁5尺寸为2600mm×150mm×300mm，相关仪器设备如下：

(1)挠度测量采用量程为12.7mm的电子百分表，分辨率为0.001mm。

(2)电阻应变片6的数据采集系统16为TS3860型静态电阻应变仪。

(3)加载设备1采用JKF-10型液压千斤顶、加载设备13为采用液压泵。

(4)压力传感器2采用GGD-6型负荷传感器，荷载大小通过压力传感器显示仪14读取。

(5)裂缝观测采用SW-LW-101型裂缝观测仪，最小分辨率为0.04mm。

(6)光纤应变数据采集仪15采用Omnisens公司的DITEST STA-R型BOTDA，该仪器的最小空间分辨率为0.5m，应变测量误差为±20με。标定梁纯弯段长度为1.0m，设置空间分辨率为0.5m，采样点间隔为0.1m。紧套光纤采用标准的ITU-G652纤芯，该纤芯布里渊频移量和光纤应变之间的比例关系为505.5MHz/％。

整个实施例分为微管埋设、传感光纤敷设、标定梁安装、电阻应变片粘贴、传感光纤连接、加载及数据处理。

微管埋设：如图3所示，微管采用直径为16mm的铝塑复合管18和、铝塑复合管19，通过扎丝拌扎在箍筋上，其中受拉传感光纤21标定用微管19距离梁底为25cm，受压传感光纤20标定用微管18距离梁顶25cm。

传感光纤敷设：如图4、图5所示，搁置成一定角度α后将传感光纤24穿过微管22后，分别在灌浆端及出浆端开灌浆孔、出浆孔，并用夹具25将施加一定预应力后的传感光纤固定在微管轴线部位，而后用端口密封 袋26封闭灌浆端及出浆端，最后往灌浆孔27内灌入水泥浆，水泥浆的配合比为水泥∶水∶高效减水剂(FDN型)∶缓凝剂(MNC-HH)∶膨胀剂(UEA-8)∶引气剂(MNC-AE2)＝1000g∶400g∶11g∶2g∶80g∶0.15g。待出浆孔流出浓浆后封闭出浆孔，完成传感光纤铺设。

标定梁5的安装：如图2所示，首先根据标定梁长度调整反力架9、反力架10、反力架11的位置，采用吊车将标定梁5搁置在简支支座7、和简支支座8上，简支支座7和标定梁5之间需垫钢板防止混凝土局部压碎影响标定精度。将工字钢分配梁3搁置在标定梁5的上部，形成长为1m的纯弯曲段，同样在分配梁3和标定梁5之间需垫钢板。将力传感器2放置在分配梁3的中间，将力传感器3和力传感显示器14通过数据线连接构成加载控制系统。将加载千斤顶1和液压泵13之间通过油管连接组成加载装置。标定梁5的两侧用稀石灰刷白，用以观察标定梁5开裂及破坏情况。

电阻应变片粘结及连接：如图2、图3所示，为标定传感光纤的应变值，需将传感光纤测得的值同传统电阻应变片的值进行对比分析。在受拉钢筋的纯弯曲段、梁底混凝土、梁顶混凝土以及各微管对应位置的梁侧混凝土表面上布置电阻应变片，其中电阻应变片6布置在钢筋混凝土梁底跨中位置，电阻应变片21为混凝土表面电阻应变片，包括钢筋混凝土梁的底面、顶面、中心、与受拉微管同高度处和与受压微管同高度处共5个电阻应变。

粘贴完成后，通过导线将其连接到静态应变采集仪16中。

传感光纤连接：布里渊光时域分析仪BOTDA应变测量过程中是通过测量光纤布里渊频移量来推测光纤应变，然该值同时和温度有关，如下式(2)所示：

$v_B(\mathrm{\ϵ},T)-\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}(T-T_0)=v_B\left(0\right)+\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{\mathrm{d\ϵ}}\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

式中，v_B(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率漂移量；v_B(ε，T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量；dv_B(T)/dT为温度比例系数；dv_B(ε)/dε 为应变比例系数。T-T₀为光纤温度差；ε为光纤应变变化量。因此，应变传感光纤敷设完成后需连接一段自由温度传感光纤作为温度补偿光纤。将应变传感光纤4同温度补偿光纤12通过FSM-50S型光纤熔接机连接后接入光纤应变数据采集系统15。

加载过程：如图2所示，在完成标定梁吊装及传感元件安装后，首先对标定梁进行预加载检查标定仪表是否正常。完成初始值读取后对标定梁进行了两点加载弯曲试验，共分为12个荷载等级，每个加载等级持荷10分钟。由加载装置和加载控制系统控制每个加载等级下的荷载大小，每个荷载等级下由BOTDA连续测试三次应变数据作为该荷载等级下的光纤应变，并由电阻应变采集仪16记录标定梁的真实应变信息，同时采用裂缝观测仪观察裂缝位置及宽度。

数据处理：将考虑温度补偿后的光纤应变同电阻应变片的监测数据通过最小二乘法拟合相互关系，得到应变传递系数。典型的标定曲线如图6所示，其中横坐标为加载值，纵坐标为应变值，△代表埋入式传感光纤测得的应变，○代表电阻应变片测得的应变。

该实施例中测得的应变关系为：

混凝土开裂前：

y＝1.2512x+11.511  R²＝0.9485  (3)

混凝土开裂后：

y＝1.0156x+108.27  R²＝0.9945  (4)

式中y为电阻应变片测得的应变，x为埋入式传感光纤测得的应变。

Claims (5)

1.一种埋入式长距离光纤传感器的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)沿钢筋混凝土梁的长度方向预埋受拉微管和受压微管；

所述的钢筋混凝土梁内至少设有一根为沿钢筋混凝土梁的长度方向布置的受拉钢筋，所述的钢筋混凝土梁内至少设有一根为沿钢筋混凝土梁的长度方向布置的受压钢筋，

所述的受拉微管与受拉钢筋同钢筋混凝土梁底面的距离相等，所述的受压微管与受压钢筋同钢筋混凝土梁顶面的距离相等；

B)在所述的受拉钢筋和受压钢筋表面分别粘贴电阻式应变片；

所述的受拉钢筋表面的电阻式应变片位于钢筋混凝土梁的跨中位置；所述的受压钢筋表面的电阻式应变片位于钢筋混凝土梁的跨中位置；

C)浇筑钢筋混凝土梁后，分别向受拉微管和受压微管中穿入待标定的传感光纤，再向受拉微管和受压微管内灌入水泥浆，以固定待标定传感光纤；

D)向钢筋混凝土梁的外表面粘贴5个电阻式应变片；

所述的电阻式应变片沿钢筋混凝土梁的长度方向均位于跨中位置；在钢筋混凝土梁的高度方向上所述的5个电阻式应变片分别位于钢筋混凝土梁的底面、顶面、中心、与受拉微管同高度处和与受压微管同高度处；

E)采用荷载分配梁向所述的钢筋混凝土梁的跨中位置施加荷载，施加荷载时分为6～20个荷载等级；

F)采集每个荷载等级下的受拉微管和受压微管中光纤的应变数据并进行温度补偿；

G)采集每个荷载等级下的所有的电阻式应变片的应变数据；

H)通过最小二乘法对步骤F)和步骤G)得到的数据进行拟合，得到待标定的传感光纤的应变传递系数。

2.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，步骤E)中所述的荷载分配梁为长度为1m～1.2m的工字钢梁。

3.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，步骤E)中施加荷载时，每个加载等级持荷10分钟。

4.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，步骤E)中施加荷载时，使钢筋混凝土梁产生1m的纯弯曲段。

5.一种埋入式长距离光纤传感器的标定装置，其特征在于，包括：

预埋待标定传感光纤的钢筋混凝土梁；

静力加载系统，用于向钢筋混凝土梁施加荷载；

位于钢筋混凝土梁表面及内部的应变感应部件；

数据采集系统，用于采集并处理应变感应部件和待标定传感光纤的应变数据；

所述的静力加载系统，包括：荷载支架、位于荷载支架上用于承载钢筋混凝土梁的简支支座、用于向钢筋混凝土梁施加荷载的荷载分配梁以及用于产生荷载的施力装置。

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