CN102486420A - 光纤型土木工程结构应力监测元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤型土木工程结构应力监测元件，测试单元、处理单元和至少一个管道，管道与外部密封隔绝，在管道内设置有至少一个曲线型支架和连续布设在所述曲线型支架上相对两侧的多个第一A侧变形齿和多个第一B侧变形齿，多个第一A侧变形齿和多个第一B侧变形齿之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤穿过的曲线型通道，曲线型支架上至少两端固定于管道内壁，管道的至少一端与连接有一个细管，细管内布设有光缆，光缆一端与管道内的第一信号光纤连接，所述光缆的另一端与测试单元连接，所述测试单元与处理单元连接。本发明易于埋入工程结构中，成为有效监测土木工程结构应力变化的敏感元件。

Description

光纤型土木工程结构应力监测元件

技术领域

本发明涉及一种监测元件，特别涉及一种光纤型土木工程结构应力监测元件。

背景技术

桥梁、大坝、地铁、隧道等重大工程的设计使用期限长达数十年，甚至上百年，但在长期使用中，环境的侵蚀、材料的老化、以及负荷作用的疲劳效应、各种振动效应和突发事件等有害因素的共同作用将导致建筑物结构的损伤积累和负荷能力的下降，从而影响其使用寿命，在极端情况下甚至发生灾难性的事故。因此，需要对重要的建筑物的结构的健康进行监测，保证该土木工程处于安全使用条件下。

传统的土木工程监测方法有静态应变测试振动识别法、声发射法、超声测试法、红外热像法、脉冲雷达法和X射线法等多种方法，但这些方法对整个工程的完整测试困难、成本高、以定性测试为主，并且不易实现实时在线的长期监测，对于土木工程结构的健康状态不能及时完整的进行评估，具有较大的局限性。

光纤传感技术的出现及发展，为土木工程结构的有效监测提供了一种新的手段。光纤传感具有比传统以电荷为基础传感装置更好的特点，如不受电磁干扰、易构建分布式、准分布式传感阵列，可以进行远距离的监测等优点。一些桥梁、大坝已经开始使用光纤型传感装置进行性能监测，目前主要以光纤光栅应用居多，但也有缺点，主要是成本较高、监测点的数量偏少且已贴装在监测工程的表面为主，这限制了其的推广使用以及对工程结构的完整监测。

光纤微弯传感技术时一种结构简单、精度高、成本低、易于构建传感阵列的一种光纤传感装置，但在缺少即不丧失光纤的敏感性又能保护光纤的结构时，其埋入土木工程后生存几率受到影响，水泥的浇筑、振动、腐蚀对光纤均有影响，且在后续使用中也容易因断裂而失效。所以需要一种即能保护光纤、同时光纤还保持对应力监测的敏感性的微弯结构，并且易于埋入土木工程结构中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种光纤型土木工程结构应力监测元件。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、寿命长、灵敏度高、易于埋入工程结构中，成为有效监测土木工程结构应力变化的敏感元件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：测试单元、处理单元和位于土木工程结构中的至少一个管道，且所述管道与外部密封隔绝，在管道内设置有至少一个曲线型支架和连续布设在所述曲线型支架上相对两侧的多个第一A侧变形齿和多个第一B侧变形齿，所述多个第一A侧变形齿和多个第一B侧变形齿之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤穿过的曲线型通道，第一A侧变形齿和第一B侧变形齿对应布设在第一信号光纤两侧，且曲线型支架上至少两端固定于管道内壁，管道的至少一端与连接有一个细管，所述细管内布设有光缆，且所述光缆一端与管道内的第一信号光纤连接，所述光缆的另一端与测试单元连接，所述测试单元与处理单元连接。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，所述曲线型支架为曲线型壳体，所述多个第一A侧变形齿和多个第一B侧变形齿对应布设在曲线型支架的内壁。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，所述管道为波纹管状的结构或所述管道外表面设置有螺纹或凹槽。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，所述曲线型支架为弹簧，第一A侧变形齿和第一B侧变形齿对应布设在弹簧中相邻相邻两圈弹簧丝之间。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，所述曲线型支架为波纹管，第一A侧变形齿和第一B侧变形齿对应布设在波纹管的管壁上内凹处的相对两个侧面上。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，所述曲线型支架为柱体，在柱体的侧壁上分布有缝隙，在缝隙的上下两侧布设有相互交错对应的第一A侧变形齿和第一B侧变形齿。

上述的光纤型土木工程结构应力监测元件，在所述曲线型支架上与第一个信号光纤并排布设有第二信号光纤，所述曲线型支架上连续布设有多个第二A侧变形齿和多个第二B侧变形齿，所述第二信号光纤夹持在第二A侧变形齿与第二B侧变形齿之间，所述第二A侧变形齿和第二B侧变形齿沿着曲线型支架每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线型支架上的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤通过光缆与测试单元相连接。

上述的光纤型土木工程应力监测元件，沿着曲线型支架每360度为一个周期且每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于曲线型支架同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。

上述的光纤型土木工程应力监测元件，所述一个管道或多个管道中的多个曲线型支架串联在一根第一信号光纤上。

上述的光纤型土木工程应力监测元件，每个曲线型支架两端设置有光反射装置，所述光缆与测试单元之间设置有光开关。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、加工制作简便、投入成本低且使用方式灵活、灵敏度高。

2、包含光纤的曲线型支架置于密封管道内，隔绝了土木工程中水泥、沙土、水份、振动等的侵蚀损坏，同时曲线型支架与管道内壁接触，管道又埋入混凝土中或与主要钢筋固定于一体，在混凝土有裂纹或钢筋出现弯曲时，管道也弯曲，导致曲线型支架也弯曲，从而改变了曲线型支架包含的信号光纤的弯曲曲率，达到检测的目的。

3、当在曲线型支架内安置有第二信号光纤用来监测弯曲的方向，从而为整个土木工程结构的检测分析提供更全面的数据基础，可以更好的进行健康监测分析。

4、测试精度高，安装布设方便。

5、所述的管道是波纹管型管道或管道外侧表面布设有螺纹或凹槽，使管道与混凝土能更好的接触并固化为一个整体。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，易构建传感阵列，成为有效监测土木工程结构应力变化的敏感元件，具有推广价值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1的管道中曲线型壳体的结构示意图。

图3为本发明实施例1中曲线型壳体的内部结构示意图。

图4为本发明实施例2的结构示意图。

图5为本发明实施例3的结构示意图。

图6为图5中A处的局部放大图。

图7为本发明实施例4的结构示意图。

图8为图7中A-A剖面图。

图9为本发明实施例5的结构示意图。

图10为本发明实施例6的结构示意图。

图11为本发明实施例7的结构示意图。

附图标记说明：

1-光缆；            4-1-第一A侧变形齿； 4-2-第一B侧变形齿；

4-3-第二A侧变形齿； 4-4-第二B侧变形齿； 5-测试单元；

7-处理单元；        10-管道；           11-扎带；

12-细管；           13-第二信号光纤；   15-钢筋；

16-混凝土；         19-曲线型壳体；     33-第一信号光纤；

35-光开关；         36-柱体；           37-缝隙；

38-弹簧；           40-波纹管；         42-管壁；

46-光反射装置。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2和图3所示的一种光纤型土木工程结构应力监测元件，测试单元5、处理单元7和位于土木工程结构中的至少一个管道10，且所述管道10与外部密封隔绝，在管道10内设置有至少一个曲线型支架和连续布设在所述曲线型支架上相对两侧的多个第一A侧变形齿4-1和多个第一B侧变形齿4-2，所述多个第一A侧变形齿4-1和多个第一B侧变形齿4-2之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤33穿过的曲线型通道，第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2对应布设在第一信号光纤33两侧，且曲线型支架上至少两端固定于管道10内壁，管道10的至少一端与连接有一个细管12，所述细管12内布设有光缆1，且所述光缆1一端与管道10内的第一信号光纤33连接，所述光缆1的另一端与测试单元5连接，所述测试单元5与处理单元7连接。

本实施例中，曲线型支架为曲线型壳体19，多个第一A侧变形齿4-1和多个第一B侧变形齿4-2对应布设在曲线型支架19的内壁上。管道10与混凝土16中的钢筋15通过扎带11固定在一起，当钢筋15弯曲或混凝土16有裂纹时，管道10的形状也会发生改变，同时曲线型支架19与管道10内壁接触，导致曲线型壳体19也弯曲变形，从而使布设于曲线型壳体19内的第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2之间的距离改变，导致夹持于第一A侧变形齿4-1和第一B两侧变形齿4-2间的第一信号光纤33的弯曲曲率变化，使传输于第一信号光纤33内的光信号的功率变化，通过光缆1测试单元5测得该变化信号并传递给处理单元7，处理单元7经计算得到曲线型壳体19的弯曲状态，并推算出钢筋15弯曲大小或混凝土16裂纹大小，为土木工程结构的健康监测提供数据基础。

一种优选的做法是管道10是波纹管状的结构或管道10表面有螺纹或凹槽，使管道10能与混凝土16有更大的接触面积，使两者结合的更紧密，从而使监测结果更准确。

所述第一信号光纤33为外部包有多层保护层的光纤，所述第一信号光纤33为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信号光纤33也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根第一信号光纤33并排夹持在第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2之间，或是多根第一信号光纤33通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。所述第一信号光纤33外部包覆有一层防水材料层，如防水油膏，可进一步防止水分子对第一信号光纤33的侵蚀，延长了第一信号光纤33的使用寿命。

实施例2

如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为弹簧38，第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2对应布设在弹簧38中相邻两圈弹簧丝之间，且第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图5、图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为波纹管40，第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2对应布设在波纹管40的管壁42上内凹处的相对两个侧面上，且第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图7、图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为柱体36，在柱体36的侧壁上分布有缝隙37，在缝隙37的上下两侧布设有相互交错对应的第一A侧变形齿4-1和第一B侧变形齿4-2。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例5

如图9所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在所述曲线型支架19上与第一个信号光纤33并排布设有第二信号光纤13，以及连续布设在所述曲线型壳体19上的多个第二A侧变形齿4-3和多个第二B侧变形齿4-4，所述第二信号光纤13夹持在第二A侧变形齿4-3与第二B侧变形齿4-4之间，所述第二A侧变形齿4-3和第二B侧变形齿4-4沿着曲线型壳体19每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线型壳体19的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤13通过光缆1与测试单元5相连接。这样可以测试钢筋15的弯曲的方向或混凝土16的裂纹方向，为更好的分析土木工程结构的状态提供数据。

一种优选的做法是沿着曲线型壳体19每360度为一个周期且每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于曲线型壳体19同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例6

如图10所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述一个管道10或多个管道10中的多个曲线型壳体19串联在一根信号光纤33上，并通过光缆1接测试单元5，所述测试单元5优选采用0TDR监测仪器，可以同时测试多个曲线型壳体19的状态，一种优选的做法是在每个曲线型壳体19两端安置有光反射装置46，通过监测光反射装置46的反射光的功率大小计算出每个曲线型壳体19的损耗，并可以消除光源、探测器以及光缆1等部分的变化的影响。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例7

如图11所示，本实施例中，与实施例1不同的是：光缆1通过光开关35与测试单元5连接，光开关35在处理单元7的控制下，分别对每一个曲线型壳体19进行测试，达到对多个曲线型壳体19的同时监测。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：测试单元(5)、处理单元(7)和位于土木工程结构中的至少一个管道(10)，且所述管道(10)与外部密封隔绝，在管道(10)内设置有至少一个曲线型支架和连续布设在所述曲线型支架上相对两侧的多个第一A侧变形齿(4-1)和多个第一B侧变形齿(4-2)，所述多个第一A侧变形齿(4-1)和多个第一B侧变形齿(4-2)之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个第一信号光纤(33)穿过的曲线型通道，第一A侧变形齿(4-1)和第一B侧变形齿(4-2)对应布设在第一信号光纤(33)两侧，且曲线型支架上至少两端固定于管道(10)内壁，管道(10)的至少一端与连接有一个细管(12)，所述细管(12)内布设有光缆(1)，且所述光缆(1)一端与管道(10)内的第一信号光纤(33)连接，所述光缆(1)的另一端与测试单元(5)连接，所述测试单元(5)与处理单元(7)连接。

2.根据权利要求1所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：所述曲线型支架为曲线型壳体(19)，所述多个第一A侧变形齿(4-1)和多个第一B侧变形齿(4-2)对应布设在曲线型支架(19)的内壁。

3.根据权利要求1所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：所述管道(10)为波纹管状的结构或所述管道(10)外表面设置有螺纹或凹槽。

4.根据权利要求1所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：所述曲线型支架为弹簧(38)，第一A侧变形齿(4-1)和第一B侧变形齿(4-2)对应布设在弹簧(38)中相邻相邻两圈弹簧丝之间。

5.根据权利要求1所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：所述曲线型支架为波纹管(40)，第一A侧变形齿(4-1)和第一B侧变形齿(4-2)对应布设在波纹管(40)的管壁(42)上内凹处的相对两个侧面上。

6.根据权利要求1所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：所述曲线型支架为柱体(36)，在柱体(36)的侧壁上分布有缝隙(37)，在缝隙(37)的上下两侧布设有相互交错对应的第一A侧变形齿(4-1)和第一B侧变形齿(4-2)。

7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的光纤型土木工程结构应力监测元件，其特征在于：在所述曲线型支架上与第一个信号光纤(33)并排布设有第二信号光纤(13)，所述曲线型支架上连续布设有多个第二A侧变形齿(4-3)和多个第二B侧变形齿(4-4)，所述第二信号光纤(13)夹持在第二A侧变形齿(4-3)与第二B侧变形齿(4-4)之间，所述第二A侧变形齿(4-3)和第二B侧变形齿(4-4)沿着曲线型支架每360度为一个周期，每个周期的起始点位于曲线型支架上的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤(13)通过光缆(1)与测试单元(5)相连接。

8.根据权利要求7所述的光纤型土木工程应力监测元件，其特征在于：沿着曲线型支架每360度为一个周期且每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于曲线型支架同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。

9.根据权利要求2所述的光纤型土木工程应力监测元件，其特征在于：所述一个管道(10)或多个管道(10)中的多个曲线型支架串联在一根第一信号光纤(33)上。

10.根据权利要求9所述的光纤型土木工程应力监测元件，其特征在于：每个曲线型支架两端设置有光反射装置(46)，所述光缆(1)与测试单元(5)之间设置有光开关(35)。

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