CN102445160A - 长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测系统，本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器包括弹性直杆和与弹性直杆封装为一体的长标距光纤光栅传感探头阵列，长标距光纤光栅传感探头阵列位于弹性直杆的侧面；长标距光纤光栅传感探头阵列包括多个长标距光纤光栅传感探头，多个长标距光纤光栅传感探头依次串联。本发明的冲刷原理简单可靠，测试方法新颖巧妙；本发明的传感器制作工艺简单，造价相比较为低廉；本发明的耐久性好，环境适应性好；本发明的测试精度高，其测试精度可达0.05m，甚至更小，并且可能根据具体要求改变精度；本发明无需考虑温度补偿问题，使得测试简单有效。
Description
技术领域
本发明涉及一种土木、交通工程的监测装置及其方法，具体涉及长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测系统。
背景技术
在水利、取排水、海河岸堤坝防护、桥梁、海洋平台等工程中，水流的冲刷对结构造成破坏的现象相当普遍。结构的地基往往由于水流的冲蚀而使得其强度降低，给结构的安全带来隐患，而且因为水流的冲刷都在水下，一般很难及时发现。然而结构一旦由于冲刷产生破坏时，往往导致都是诸如垮塌等恶性事故，危及广大人民群众的财产和生命安全。有资料显示，美国在过去30年发生的约1000多座桥梁的垮塌事故，有60％是由于桥墩的冲刷破坏所致。另外，水流对海、河岸堤坝基础的冲刷也将威胁到堤坝的安全，洋流对海洋平台基础的冲刷则威胁了海洋平台的安全。由于水流冲刷引起的结构安全问题，已经日益引起人们的重视，结构的冲刷监测已经成为结构健康监测中的一项重要的任务。
目前对于冲刷深度的测量，主要有地形尺、测深杆、测深锤、回波探测仪、声纳等，但是这些方法在实际工程应用中都具有很大的局限性。地形尺、测深杆、测深锤的测深常常受到地形、环境、测量深度等的多方面的限制，而回波探测仪、声纳等易受噪声干扰，而且也不便于连续监测。
光纤光栅由于精度高，应变测量能达到1με，而且封装后能防水，耐腐蚀，长期性能比较好，不仅能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，目前已经被广泛应用于结构的健康监测中。为了提高结构应变测试的真实性、可靠性以及噪声鲁棒性，东南大学已开发出了长标距光纤光栅应变传感器，并成功运用于结构的健康监测中。基于光纤光栅的各类传感器的开发正在大力推进中，但基于光纤光栅对于冲刷问题的研究目前还极少。目前国内只有大连理工大学开发了一种基于常规点式光纤光栅的冲刷传感器，其传感探头一旦由于冲刷而露出河床的时候，传感器两侧将产生动水压力，传感探头装置两侧的膜片产生变形，带动连杆的运动，并继而带动装置内的等强度梁发生挠曲，并由封装在等强度梁FBG监测其应变，从而判断有无冲刷。其原理是由于在动水中柱体绕流，在其迎流面和背流面分别产生正的和负的动水压力，使得等强度梁发生变形。但是这种传感器工艺复杂，造价颇高，但精度却只能达到0.2m，而且其金属外壳和金属网片在水中很容易生锈，耐腐蚀性能差，另外其传感器上的每个传感探头的光纤引出线都需要引出，增加了对调制解调仪接口的占用，不利于多个传感器的同时检测和监测，且其安装的位置也必须在结构基础的上游，对位置也有一定的局限性。大连理工大学设计的冲刷传感器也是基于传统点式传感方式进行应变测量，目前对于利用长标距光纤光栅进行分布式传感来研究冲刷问题在国内外检索尚无相关专利及相关文献。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种具有高精确度、高耐久性、温度自适应、结构简单、造价低廉的长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测系统。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器包括弹性直杆和与弹性直杆封装为一体的长标距光纤光栅传感探头阵列，长标距光纤光栅传感探头阵列位于弹性直杆的侧面；长标距光纤光栅传感探头阵列包括多个长标距光纤光栅传感探头，多个长标距光纤光栅传感探头依次串联。
上述弹性直杆包括传感段和位于传感段底端的锚固段；长标距光纤光栅传感探头阵列安装在传感段上，锚固段设有多个斜向上的倒勾。
上述长标距光纤光栅传感探头包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的两端。
上述弹性直杆采用的材料为纤维强化塑料。
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器的制作方法，包括以下几个步骤：
(a1)制作弹性直杆；
(a2)制作长标距光纤光栅传感探头阵列：
首先制作长标距光纤光栅传感探头，然后将多个长标距光纤光栅传感探头依次进行串联，形成长标距光纤光栅传感探头阵列；
(a3)首先将长标距光纤光栅传感探头阵列安装在弹性直杆的侧面，然后将长标距光纤光栅传感探头阵列与弹性直杆封装为一体，形成最终的长标距光纤光栅冲刷传感器。
上述长标距光纤光栅传感探头的制作方法，包括以下几个步骤：
(a21)将光纤穿入套管；
(a22)在套管外面包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行封装；
(a23)将光纤的两端分别通过固结胶与套管的两端相固定，其余部分的光纤可在套管内自由滑动。
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器的制作方法，长标距光纤光栅传感探头阵列采用环氧树脂与弹性直杆封装为一体。
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器的安装布设方法，包括以下几个步骤：
(b1)将一钢管套在弹性直杆上；
(b2)将钢管连同长标距光纤光栅冲刷传感器一同插入需要监测的位置，并且使长标距光纤光栅冲刷传感器上安装有长标距光纤光栅传感探头阵列的一面设置在水流的迎流面上；
(b3)锤击钢管使钢管带动长标距光纤光栅冲刷传感器插入泥层处，直至长标距光纤光栅传感探头阵列的大部分在泥层下方，小部分在泥层上方的位置，然后拔出钢管，完成单个长标距光纤光栅冲刷传感器最终的安装布设。
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器构成的冲刷监测系统包括根据所需冲刷监测点而布设的多个(至少两个)长标距光纤光栅冲刷传感器，多个长标距光纤光栅冲刷传感器依次串联，最后一个长标距光纤光栅冲刷传感器通过传输光纤连接到信号接收基地或者融入到结构健康监测系统中。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的冲刷原理简单可靠，测试方法新颖巧妙。本发明主要是利用水流对弹性直杆作用而使得布设在弹性直杆上的位于泥层上方的长标距光纤光栅波长由应变作用发生较大变化，从而获得冲刷深度；同时也可利用弹性直杆的固有振动频率随着冲刷逐步变小的特征来获得冲刷深度；
(2)本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器制作工艺简单，造价相比较为低廉。本发明主要有一根弹性直杆和多个长标距光纤光栅传感探头组成，制作简单，布设方便，成本低廉，有广阔的应用前景和良好的经济效益；
(3)由于本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器采用了复合材料和环氧树脂封装，其耐水防锈、耐腐蚀等性能优越，且不怕电磁屏蔽和干扰，一体化封装以后更是能适用于任何冲刷环境，具有超长的耐久性和广泛的适用性；
(4)本发明的测试精度高，其测试精度可达0.05m，甚至更小，并且可能根据具体要求改变精度，其精度主要可以通过改变长标距光纤光栅传感探头的标距实现；
(5)本发明应用了长标距光纤光栅传感探头阵列，其冲刷深度的测试主要是基于泥层上方与泥层下方的长标距光纤光栅传感探头应变相对值或直杆的固有频率变化进行确定，因此无需考虑温度补偿问题，使得测试简单有效；
(6)本发明无需对安装位置进行限制，只要保证水流能带动部分插入河床弹性直杆发生弯曲和振动，并使得长标距光纤光栅传感探头阵列位于迎流面即可。
(7)本发明可对多点同时进行冲刷监测，可按照监测需求，在多个监测点植入传感器，实现一个区域的整体冲刷监测。
附图说明
图1为本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器原理图；
图2为本发明的长标距光纤光栅传感探头阵列结构示意图；
图3为本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器安装布设图；
图4为本发明的冲刷监测系统结构示意图。
图中各标号：传感段11，锚固段12，倒勾13，长标距光纤光栅传感探头阵列2，长标距光纤光栅传感探头20，光纤21，光栅22，套管23，钢管3，长标距光纤光栅冲刷传感器4，传输光纤5，信号接收基地或者结构健康监测系统6。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1和图2，本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器4包括弹性直杆和与弹性直杆封装为一体的长标距光纤光栅传感探头阵列2，长标距光纤光栅传感探头阵列2位于弹性直杆的侧面，光纤引出线在顶部引出。封装形成的长标距光纤光栅冲刷传感器4具有很好的对环境的耐久性。
长标距光纤光栅传感探头阵列2包括多个(两个及以上)长标距光纤光栅传感探头20，多个长标距光纤光栅传感探头20依次进行串联。
每一个长标距光纤光栅传感探头20的两端均固定在弹性直杆的侧面上，长标距光纤光栅传感探头20包括套管23、封装在套管23内的光纤21、刻写在光纤21上的光栅22和封装在套管23上的复合材料保护层，光纤21的两端分别固定在套管23的两端，光栅22在套管23内可自由滑动，两个固定点之间的距离即为设定的标距。
标距的长度以及长标距光纤光栅传感探头20的个数可以根据用户的要求进行设置。
弹性直杆包括传感段11和位于传感段11底端的锚固段12，传感段11的直径小于锚固段12的直径；长标距光纤光栅传感探头阵列2安装在传感段11上，锚固段12设有多个(两个及两个以上)斜向上的倒勾13。
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器4的制作方法，包括以下几个步骤：
(a1)制作一根刚度适中的弹性直杆，弹性直杆在水流的作用下会发生轻微的弯曲，在弹性直杆的锚固段12设置多个斜向上的倒勾13；
(a2)制作长标距光纤光栅传感探头阵列2：
首先制作长标距光纤光栅传感探头20，然后将多个(两个及两个以上)长标距光纤光栅传感探头20依次进行串联，光纤引出线从顶部引出，形成长标距光纤光栅传感探头阵列2；
长标距光纤光栅传感探头20的制作方法，包括以下几个步骤：
(a21)将光纤21穿入套管23；
(a22)在套管23外面包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行封装；
(a23)将光纤21的两端分别通过固结胶与套管23的两端相固定，其余部分的光纤可在套管23内自由滑动。
(a3)首先将长标距光纤光栅传感探头阵列2安装在弹性直杆的传感段11侧面上，然后将长标距光纤光栅传感探头阵列2采用环氧树脂与与弹性直杆封装为一体，形成最终的长标距光纤光栅冲刷传感器4。
参见图3，本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器4的安装布设方法，包括以下几个步骤：
(b1)将一粗细适中空心的钢管3套在弹性直杆上，其中钢管3的内直径大于传感段11的外直径，且钢管3的外直径与锚固段12的直径相近似，钢管3套在传感段11上并且钢管3端部抵住锚固段12；
(b2)将钢管3连同长标距光纤光栅冲刷传感器4一同插入需要监测的位置，并且使长标距光纤光栅冲刷传感器4上安装有长标距光纤光栅传感探头阵列2的一面设置在水流的迎流面上(对着水流流动的方向)，通过初始测量可以得到河床的初始标高，通过长期的冲刷监测，即可得到每个监测位置的冲刷情况。
(b3)持续锤击钢管3，使钢管3带动长标距光纤光栅冲刷传感器4插入泥层处，直至长标距光纤光栅传感探头阵列2的大部分在泥层下方，小部分在泥层上方的位置，然后拔出钢管3，完成单个长标距光纤光栅冲刷传感器4最终的安装布设。
参见图4，本发明的冲刷监测系统包括根据所需冲刷监测点而布设的两个长标距光纤光栅冲刷传感器4，两个长标距光纤光栅冲刷传感器4依次串联，最后一个(图4中右边的一个)长标距光纤光栅冲刷传感器4通过传输光纤5连接到信号接收基地或者融入到结构健康监测系统6中，简单方便。
本实施例中，弹性直杆采用的材料为纤维强化塑料(简称FRP)。
本发明长标距光纤光栅冲刷传感器4的工作原理如下：
本发明的长标距光纤光栅冲刷传感器4主要是利用光栅22对于应变的敏感性而进行的，当长标距光纤光栅传感探头20插入河床之中，水流将使得弹性直杆的未插入泥层中的部分发生随水流方向的明显弯曲并随水流变化不断晃动，而在泥层下方的部分基本不发生弯曲，因此泥层上方的光栅22将出现较大的应变，而且在时程上也将出现不断的波动，而处于泥层下方的光栅22则基本没有应变变化，通过泥层上方和下方长标距光纤光栅冲刷传感器4中光栅22的波长特征可以判断泥层与水的交界面的高度，从而得出冲刷的深度。同时，河床经过冲刷后，弹性直杆露出泥层部分将增大，使得其固有振动频率减小，因此通过测试传感器的应变时程信号计算其固有振动频率，不仅可以判断有无冲刷，还能确定冲刷深度。这两种判断和计算方法可以单独使用，同时使用则可以提高其判断和评价的准确度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.长标距光纤光栅冲刷传感器，其特征在于，包括弹性直杆和与弹性直杆封装为一体的长标距光纤光栅传感探头阵列(2)，所述长标距光纤光栅传感探头阵列(2)位于弹性直杆的侧面；
所述长标距光纤光栅传感探头阵列(2)包括多个长标距光纤光栅传感探头(20)，所述多个长标距光纤光栅传感探头(20)依次串联。
2.根据权利要求1所述的长标距光纤光栅冲刷传感器，其特征在于，所述弹性直杆包括传感段(11)和位于传感段(11)底端的锚固段(12)；
所述长标距光纤光栅传感探头阵列(2)安装在传感段(11)上，所述锚固段(12)设有多个斜向上的倒勾(13)。
3.根据权利要求1所述的长标距光纤光栅冲刷传感器，其特征在于，所述长标距光纤光栅传感探头(20)包括套管(23)、封装在套管(23)内的光纤(21)和刻写在光纤(21)上的光栅(22)，所述光纤(21)的两端分别固定在套管(23)的两端。
4.根据权利要求1所述的长标距光纤光栅冲刷传感器，其特征在于，所述弹性直杆采用的材料为纤维强化塑料。
5.由权利要求1～4任意一项所述的长标距光纤光栅冲刷传感器的制作方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(a1)制作弹性直杆；
(a2)制作长标距光纤光栅传感探头阵列(2)：
首先制作长标距光纤光栅传感探头(20)，然后将多个长标距光纤光栅传感探头(20)依次进行串联，形成长标距光纤光栅传感探头阵列(2)；
(a3)首先将长标距光纤光栅传感探头阵列(2)安装在弹性直杆的侧面，然后将长标距光纤光栅传感探头阵列(2)与弹性直杆封装为一体，形成最终的长标距光纤光栅冲刷传感器(4)。
6.根据权利要求5所述的长标距光纤光栅冲刷传感器的制作方法，其特征在于，
所述长标距光纤光栅传感探头(20)的制作方法，包括以下几个步骤：
(a21)将光纤(21)穿入套管(23)；
(a22)在套管(23)外面包裹复合材料并浸润环氧树脂；
(a23)将光纤(21)的两端分别固定在套管(23)的两端。
7.根据权利要求5所述的长标距光纤光栅冲刷传感器的制作方法，其特征在于，
所述长标距光纤光栅传感探头阵列(2)采用环氧树脂与弹性直杆封装为一体。
8.由权利要求1～4任意一项所述的长标距光纤光栅冲刷传感器的安装布设方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(b1)将一钢管(3)套在弹性直杆上；
(b2)将钢管(3)连同长标距光纤光栅冲刷传感器(4)一同插入需要监测的位置，并且使长标距光纤光栅冲刷传感器(4)上安装有长标距光纤光栅传感探头阵列(2)的一面设置在水流的迎流面上；
(b3)锤击钢管(3)，直至长标距光纤光栅传感探头阵列(2)的大部分在泥层下方，小部分在泥层上方的位置，然后拔出钢管(3)，完成单个长标距光纤光栅冲刷传感器(4)最终的安装布设。
9.由权利要求1～4任意一项所述长标距光纤光栅冲刷传感器构成的冲刷监测系统，其特征在于，
包括根据所需冲刷监测点而布设的多个长标距光纤光栅冲刷传感器(4)，多个所述长标距光纤光栅冲刷传感器(4)依次串联，最后一个所述长标距光纤光栅冲刷传感器(4)通过传输光纤(5)连接到信号接收基地或者融入到结构健康监测系统(6)中。
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