CN103376067B - 用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法，其步骤如下：制造多个光纤分布单体（14），每个光纤分布单体（14）包括两个磁性粘结端、应变监测光纤段（10）、前段信号传输光纤段（12）和后段信号传输光纤段（13）；将多个光纤分布单体（14）依次串联，并在最前面一个光纤分布单体（14）的前段信号传输光纤段（12）前端和最后面的一个光纤分布单体（14）的后段信号传输光纤段（13）后端分别熔接一个光纤接头；再将串联的光纤分布单体（14）固定在待监测的钢结构上，然后将串联的多个光纤分布单体（14）的两个光纤接头与测试仪器连接。该安装方法快速、全面、准确。

Description

用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测领域，具体讲是一种用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法。

背景技术

土木工程中的钢结构，如桥梁、人行天桥、铁轨、输油管道等在服役期间，由于环境荷载作用、材料性能劣化等不利因素，不可避免的出现承载力下降、变形超限等损伤等一系列问题，故需要对土木工程中的钢结构进行应变监测。

土木工程中的钢结构具有损伤应变位置不确定的特点，同时所处的环境条件复杂，故现有技术对钢结构应变的监测方式如采用电阻应变片监测或采用钢弦应变计监测都存在缺陷和不足，如易受到时间和温度的影响，长期使用无法保障其准确性，而且现有技术监测手段基本是进行的一个点一个点的监测，无法从面上实现全面覆盖监测。

而基于布里渊频移的分布式光纤传感技术是属于目前国际上的最前沿的尖端技术，当光纤沿线发生应变或温度变化时，布里渊频率会发生漂移并在与光纤连接的仪器显示出来。而布里渊频率的漂移量即布里渊频移与光纤的温度变化和应变呈良好的线性关系，故通过监测布里渊频移就能得到光纤沿线温度变化和应变的分布信息。它与传统技术相比，能长期、耐久、全面的监测钢结构的应变，以判断钢结构的健康状况。

然而将分布式传感光纤应用到钢结构监测领域，存在一个关键和技术难题，即如何快速、全面、准确的将传感光纤安装在钢结构上。现有技术均是采用在钢结构表面涂覆粘结剂固定传感光纤，但该布设方法施工复杂、布设速度慢、周期长、拆卸不方便；更重要的是，钢结构的损伤应变位置不确定，该布设方式只能监测到整根光纤布设区域的应变大小，而损伤应变发生的具体位置却无法测得；而且，测量应变的过程还会受到温差的干扰，应变测量结果不准确。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是，提供一种能快速、全面、准确的用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法。

本发明的一种技术解决方案是，提供一种用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法，其步骤如下：

a、用一根传感光纤在第一圆柄磁铁的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈，将传感光纤的温度补偿线圈的引出端穿过第一矫正套管；

b、在第一圆柄磁铁的温度补偿线圈外浇注环氧树脂层，使得温度补偿线圈及第一矫正套管被环氧树脂层粘紧裹牢，形成第一磁性粘结端；

c、将从第一矫正套管引出的传感光纤穿过第二矫正套管，并在第二圆柄磁铁的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈；

d、在第二圆柄磁铁的温度补偿线圈外浇注环氧树脂层，使得温度补偿线圈及第二矫正套管被环氧树脂层粘紧裹牢，形成第二磁性粘结端，此时，两个磁性粘结端之间的传感光纤段形成应变监测光纤段，而第一磁性粘结端的引入段光纤成为前段信号传输光纤段，第二磁性粘结端的引出段光纤成为后段信号传输光纤段，且两个磁性粘结端、应变监测光纤段、前段信号传输光纤段和后段信号传输光纤段构成一个光纤分布单体；

e、n次重复步骤a～d，制作出n个光纤分布单体；

f、根据需要，利用光纤熔接机将每个光纤分布单体的前段信号传输光纤段与前一个光纤分布单体的后段信号传输光纤段熔接，使得多个光纤分布单体依次串联，并在最前面一个光纤分布单体的前段信号传输光纤段前端和最后面的一个光纤分布单体的后段信号传输光纤段后端分别熔接一个光纤接头；

g、将一个光纤分布单体的第一磁性粘结端吸附固定在待监测的钢结构上，并在该光纤分布单体的第一磁性粘结端与第二磁性粘结端之间固定一个测力计，人工张拉第二磁性粘结端使得测力计显示的力的大小为一个固定值，再将第二磁性粘结端与待检测的钢结构吸附固定；

h、将该光纤分布单体的应变监测光纤段用保护套管套合保护；

i；n次重复步骤g～h，使得全部光纤分布单体固定在待监测的钢结构上，且使得每一个光纤分布单体的应变监测光纤段被保护套管套合保护；

j、将串联的多个光纤分布单体的两个光纤接头与测试仪器连接。

该安装方法的原理为：对每个光纤分布单体来说，包括前段信号传输光纤段、后段信号传输光纤段、两个温度补偿线圈及其之间的应变监测光纤段；传导光纤的布里渊频移等于温度系数乘以温差加上应变乘以应变系数，两个温度补偿线圈均与圆柄磁铁固定黏牢，故不存在应变，它的布里渊频移就等于温差乘以温度系数，而中间的应变监测光纤段的布里渊频移等于温差乘以温度系数加上应变乘以应变系数，两个温度补偿线圈与应变监测光纤段均属于同一根传导光纤，三者的温差乘以温度系数的值均相等，故应变监测光纤段的频移值减去温度补偿线圈的频移值所得的差值就能体现应变监测光纤段的应变值，故温度补偿线圈的存在，能消除温度变化对布里渊频移的影响，排除温差对应变测量的干扰，使得测试仪器能采集分析并显示出应变监测光纤段的应变值，保证测量的准确性；而且，中间的应变监测光纤段受力等于测力计上显示的固定值，如3N，而两侧的温度补偿线圈是不受力的，那么，两侧的温度补偿线圈在仪器上显示的频移值与中间的应变监测光纤段的在仪器上显示的初始布里渊频移值肯定存在一个明显的差值，故利用这个差值能从仪器上能一目了然的辨识出每一个光纤分布单体的应变监测光纤段的所对应的频移值，这样，如果仪器上某一段的频移值出现异常，就能直观迅速的找到对应的光纤分布单体，进而精确确定钢结构上发生损伤的具体位置；况且，前段信号传输光纤段、后段信号传输光纤段均是位于光纤分布单体两侧，它们裸露在外不受保护套管的保护，容易受到外力如风的扰动，这种扰动一旦传导到应变监测光纤段就会对应变的监测结果产生干扰和误差，但由于两传导光纤段与中间的应变监测光纤段存在温度补偿线圈，温度补偿线圈被黏牢，故能隔断这种扰动，故进一步保证测量结构的准确性。

本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

由于上一段的分析可知，利用该安装方式布置的传感光纤，能克服温度变化、外力的震动或扰动对监测过程的干扰，针对性强的反应出每一个光纤分布单体所对应的区域的应变状况、测量结果精确；而利用该方法，可以在工厂预制各个光纤分布单体，保证制作精度，且在监测现场，只需要将光纤分布单体的两个磁性粘结端的磁铁与待测钢结构固定即可，安装过程方便快捷，操作简便，同理，拆卸过程也方便快捷，操作简便；况且，各个光纤分布单体拆下之后，还能循环二次利用，节能环保；还由于该装置安装布置方便，能快速大面积覆盖待测钢结构，监测范围更全面；再由于矫正套管的设计，能提供一定曲率半径的过度，防止靠近温度补偿线圈的应变监测光纤段弯折而影响测量结果。

附图说明

图1是本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法的光纤分布单体的结构示意图。

图2是本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法的多个光纤分布单体安装在待测钢结构的结构示意图。

图3是本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法的保护套管的横截面放大结构示意图。

图4是本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法的测试仪器上显示的关于布里渊频移值和光纤长度之间的函数关系图。

图中所示1、保护套管，2、第一圆柄磁铁，3、温度补偿线圈，4、第一矫正套管，5、环氧树脂层，6、第一磁性粘结端，7、第二矫正套管，8、第二圆柄磁铁，9、第二磁性粘结端，10、应变监测光纤段，11、测力计，12、前段信号传输光纤段，13、后段信号传输光纤段，14、光纤分布单体，15、光纤接头，16、卡箍，17、半圆套管。

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说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法，其步骤如下。

a、用一根传感光纤在第一圆柄磁铁2的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈3，将传感光纤的温度补偿线圈3的引出端穿过第一矫正套管4；其中，第一圆柄磁铁2以及后续步骤的第二圆柄磁铁8都为带旋钮的高强度磁铁，通过转动旋钮来转动高强度磁铁内部的磁块的南北两极，实现磁化过程或消磁过程。

b、在第一圆柄磁铁2的温度补偿线圈3外浇注环氧树脂层5，使得温度补偿线圈3及第一矫正套管4被环氧树脂层5粘紧裹牢，形成第一磁性粘结端6。

c、将从第一矫正套管4引出的传感光纤穿过第二矫正套管7，并在第二圆柄磁铁8的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈3。

d、在第二圆柄磁铁8的温度补偿线圈3外浇注环氧树脂层5，使得温度补偿线圈3及第二矫正套管7被环氧树脂层5粘紧裹牢，形成第二磁性粘结端9，此时，两个磁性粘结端之间的传感光纤段形成应变监测光纤段10，而第一磁性粘结端6的引入段光纤成为前段信号传输光纤段12，第二磁性粘结端9的引出段光纤成为后段信号传输光纤段13，且两个磁性粘结端、应变监测光纤段10、前段信号传输光纤段12和后段信号传输光纤段13构成一个光纤分布单体14。

e、n次重复步骤a～d，制作出n个光纤分布单体14。制备光纤分布单体14的过程可以在工厂内完成，以确保光纤分布单体14的加工精度。

f、根据需要，利用光纤熔接机将除了最前面一个以外的每个光纤分布单体14的前段信号传输光纤段12与前一个光纤分布单体14的后段信号传输光纤段13熔接，使得多个光纤分布单体14依次串联，并在最前面一个光纤分布单体14的前段信号传输光纤段12前端和最后面的一个光纤分布单体14的后段信号传输光纤段13后端分别熔接一个光纤接头15，所述的光纤接头15优选FC光纤接头15。

g、将一个光纤分布单体14的第一磁性粘结端6吸附固定在待监测的钢结构上，即转动旋钮，使得该磁性粘结端的圆柄磁铁内部磁块的南北两极旋转，实现该圆柄磁铁的磁化，使之吸附在钢结构上；并在该光纤分布单体14的第一磁性粘结端6与第二磁性粘结端9之间固定一个测力计11，即测力计11的两端分别与两个磁性粘结端固定，人工张拉第二磁性粘结端9使得测力计11显示的力的大小为一个固定值，如3N～5N，优选3N，再将第二磁性粘结端9与待检测的钢结构吸附固定。

h、将该光纤分布单体14的应变监测光纤段10用保护套管1套合保护；具体的说，保护套管1由两个横截面为半圆环的半圆套管17构成，半圆套管17的内径大于第一矫正套管4和第二矫正套管7的外径，两个半圆套管17扣合形成闭合管腔且将应变监测光纤段10扣合保护在管腔内，扣合后的两个半圆套管17的前端套合在第一矫正套管4外，后端套合在第二矫正套管7外，两个扣合的半圆套管17外设有卡箍16，卡箍16为圆弧形，圆弧的头尾两端各固定一个带螺纹孔的连接片，卡箍16套合在两个半圆套管17外且通过旋紧螺钉使得卡箍16将两个半圆套管17压紧。

i；n次重复步骤g～h，使得全部光纤分布单体14固定在待监测的钢结构上，且使得每一个光纤分布单体14的应变监测光纤段10被保护套管1套合保护。

j、将串联的多个光纤分布单体14的两个光纤接头15与测试仪器连接。

当本发明的光纤的安装完成后，测试仪器上会显示出一个如图4所示的关于布里渊频移值和光纤长度之间的函数关系图，其中，X轴表示光纤长度值，Y轴表示布里渊频移值，bc段和fg段反应的是温度补偿线圈3所对应的图像，而de段反应的是应变监测光纤段10所对应的图像，ab段和gh段的不规则波浪反应的是信号传输光纤段所对应的图像。

Claims (1)

1.一种用于监测钢结构应变的分布式传感光纤的安装方法，其特征在于：其步骤如下：

a、用一根传感光纤在第一圆柄磁铁（2）的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈（3），将传感光纤的温度补偿线圈（3）的引出端穿过第一矫正套管（4）；

b、在第一圆柄磁铁（2）的温度补偿线圈（3）外浇注环氧树脂层（5），使得温度补偿线圈（3）及第一矫正套管（4）被环氧树脂层（5）粘紧裹牢，形成第一磁性粘结端（6）；

c、将从第一矫正套管（4）引出的传感光纤穿过第二矫正套管（7），并在第二圆柄磁铁（8）的圆周面缠绕多圈形成温度补偿线圈（3）；

d、在第二圆柄磁铁（8）的温度补偿线圈（3）外浇注环氧树脂层（5），使得温度补偿线圈（3）及第二矫正套管（7）被环氧树脂层（5）粘紧裹牢，形成第二磁性粘结端（9），此时，两个磁性粘结端之间的传感光纤段形成应变监测光纤段（10），而第一磁性粘结端（6）的引入段光纤成为前段信号传输光纤段（12），第二磁性粘结端（9）的引出段光纤成为后段信号传输光纤段（13），且两个磁性粘结端、应变监测光纤段（10）、前段信号传输光纤段（12）和后段信号传输光纤段（13）构成一个光纤分布单体（14）；

e、n次重复步骤a~d，制作出n个光纤分布单体（14）；

f、根据需要，利用光纤熔接机将每个光纤分布单体（14）的前段信号传输光纤段（12）与前一个光纤分布单体（14）的后段信号传输光纤段（13）熔接，使得多个光纤分布单体（14）依次串联，并在最前面一个光纤分布单体（14）的前段信号传输光纤段（12）前端和最后面的一个光纤分布单体（14）的后段信号传输光纤段（13）后端分别熔接一个光纤接头（15）；

g、将一个光纤分布单体（14）的第一磁性粘结端（6）吸附固定在待监测的钢结构上，并在该光纤分布单体（14）的第一磁性粘结端（6）与第二磁性粘结端（9）之间固定一个测力计（11），人工张拉第二磁性粘结端（9）使得测力计（11）显示的力的大小为一个固定值，再将第二磁性粘结端（9）与待检测的钢结构吸附固定；

h、将该光纤分布单体（14）的应变监测光纤段（10）用保护套管（1）套合保护；

i；n次重复步骤g~h，使得全部光纤分布单体（14）固定在待监测的钢结构上，且使得每一个光纤分布单体（14）的应变监测光纤段（10）被保护套管（1）套合保护；

j、将串联的多个光纤分布单体（14）的两个光纤接头（15）与测试仪器连接。