CN104374323B - 水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置及监测方法，包含转球竖梁、位于转球竖梁上端的上剪切装置、位于转球竖梁下端的下剪切装置、位于上剪切装置与下剪切装置之间的拉伸装置，所述上剪切装置包含对称设置的半圆形的上剪切台、连接两个上剪切台的上移动连杆和位于上剪切台上的上承台，所述上承台下方延伸有上载道，上剪切台下方通过转向螺杆与上旋转梁连接，上旋转梁内安装有上剪切光纤，上剪切光纤通过剪切锁紧装置固定在上旋转梁内，上旋转梁通过上转球与转球竖梁连接。本监测装置可以实现水工结构物张拉、剪切以及张拉、剪切组合裂缝的光纤监测，其实现了分布式、多向性、微宏观、内外监测。

Description

水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水工结构物裂缝光纤监测装置，特别涉及到一种可以内外部分布式实时多向监测结构物微宏观裂缝的装置和方法。

背景技术

大坝、堤防、水闸等工程中的水工结构物，其开裂和发展将影响结构物的耐久性和整体性，裂缝的有效辨识和实时测量一直是水利与水电工程施工和运行管理中关注的重要内容。在正常加载条件下，水工结构物中裂缝的状态和成因非常复杂，可能产生张拉裂缝和剪切裂缝，以及两种裂缝组合的混合式裂缝。对于传统的裂缝监测装置而言，会因受到外界复杂因素(比如潮湿、降水、电磁等)干扰而失去监测功能或者出现测值漂移等严重影响其正常功能发挥的问题。

光学技术的发展将光纤传感监测技术推到了监测领域的前沿，因为其良好的监测性能，应用潜力被大量挖掘，利用光纤监测裂缝的应用得到不断推广。但是，可同时监测张拉裂缝和剪切裂缝的监测装置目前未见报道，特别是对于我国所建造的大量大体积水工结构物，基于光纤传感监测技术，进行结构物微宏观、多向性裂缝的内外部分布式监测与检测，尚未有公开的研究成果。迫切需要研发一种可以同时监测张拉、剪切以及张拉、剪切组合裂缝，且成本合理、应用普遍的光纤监测装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置及方法，基于当前传统监测仪器的不足及现有光纤监测裂缝装置的缺陷，利用光纤传感的基本物理特性，可以实现水工结构物张拉、剪切以及张拉、剪切组合裂缝的光纤监测，其实现了分布式、多向性、微宏观、内外监测，对复杂环境下大体积水工结构物裂缝监测提供了一种有效的、多功能的监测装置和方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，包含转球竖梁、位于转球竖梁上端的上剪切装置、位于转球竖梁下端的下剪切装置、位于上剪切装置与下剪切装置之间的拉伸装置，所述上剪切装置包含对称设置的半圆形的上剪切台、连接两个上剪切台的上移动连杆和位于上剪切台上的上承台，所述上承台下方延伸有上载道，上剪切台下方通过转向螺杆与上旋转梁连接，上旋转梁内安装有上剪切光纤，上剪切光纤通过剪切锁紧装置固定在上旋转梁内，上旋转梁通过上转球与转球竖梁连接，上剪切台沿上载道在做直线运动，相对的上剪切台切向运动，带动上剪切光纤拉伸；所述下剪切装置包含对称设置的半圆形的下剪切台、连接两个下剪切台的下移动连杆和位于下剪切台下的下承台，所述下承台下方延伸有下载道，下剪切台下方通过转向螺杆安装有下旋转梁，下旋转梁内安装有下剪切光纤，下剪切光纤通过剪切锁紧装置固定在下旋转梁内，下旋转梁通过下旋转球与转球竖梁连接，下剪切台沿下载道在做直线运动，相对的下剪切台切向运动，带动下剪切光纤拉伸；所述拉伸装置包含张拉光纤、上张拉台、下张拉台和位于上张拉台与下张拉台之间的伸缩竖梁，张拉光纤依次穿过上张拉台、伸缩竖梁和下张拉台，张拉光纤通过拉伸锁紧装置固定在上张拉台和下张拉台上，所述上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤分别与集线载台连接。

作为优选，所述剪切锁紧装置包含转阀、护圈、弧夹和旋杆，所述护圈套在上旋转梁并与转向螺杆连接，护圈上安装有旋杆，旋杆的头部安装有转阀，旋转的尾部活动连接弧夹，通过弧夹锁紧上剪切光纤或下剪切光纤。

作为优选，所述拉伸锁紧装置包含螺纹型控制台、螺纹阀、螺纹拉压杆、微调横螺柱和通道护环，所述上张拉台与下张拉台分别设有竖向通道，竖向通道内设有通道护环，张拉光纤位于竖向通道内，上张拉台与下张拉台分别固定安装有一对螺纹型控制台，一对螺纹型控制台分别位于竖向通道的两侧，每个螺纹型控制台上旋入了微调横螺柱，微调横螺柱与螺纹拉压杆螺纹连接，螺纹拉压杆与通道护环连接，微调横螺柱穿过螺纹型控制台，微调横螺柱的进出连带了螺纹拉压杆的进出，通道护环外壁与螺纹拉压杆外表面面面接触，通过竖向通道的张拉光纤会因为外环荷载的施加而被以非刚性固定。

作为优选，所述上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤上设有刻度。

作为优选，所述上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤外套有光纤护套，光纤护套包含高硬外环与位于高硬外环内壁的软绵内套，上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤位于软绵内套内。

作为优选，所述上剪切台与下剪切台交叉分布。

作为优选，所述集线载台包括四个光纤连接端口和一个备用端口，集线载台上安装有通过支撑梁固定的旋转转台，四个光纤连接端口和一个备用端口位于旋转转台的四周，旋转转台的中心安装有转环，转环与旋转外柄连接，集线载台上还设有外联槽，外联槽边上安装有转动护盖，转动转动护盖可将外联槽覆盖。

作为优选，所述相邻的两个水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置通过串联梁连接。

一种上述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置的监测方法，包括以下步骤：

(1)在上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤安置于本装置之前，对上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤的基本尺寸及光纤信息进行监测与采集，进而标定初始使用的光纤参量，检验装置连通性；

(2)通过转阀转动弧夹将下剪切光纤和上剪切光纤分别固定于下旋转梁和上旋转梁处，将下剪切光纤引至高硬外环与软绵内套所组成的光纤通道中，后将下剪切光纤连接到集线载台上的光纤两个光纤端口处；

(3)调整螺纹阀使通道护环压缩，然后将张拉光纤布置于竖向通道内，最后，将张拉光纤上下两端分别固定到集线载台上的光纤多向通道中的另外两个端口；记录标示初始温度数据值；

(4)依据上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤物理参量中的光损耗值、布里渊频率量等光学信息，捕获裂缝的位置、获取裂缝的宽度，对于预先埋在其中的光纤而言，水工结构物试件裂缝导致预埋光纤产生光损耗，得到衰减的数值表，即裂缝产生的光功率损耗，基于突降的位置可以确定结构裂缝的位置及数值。设上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤中待监测光纤的入射端光强为P(x0)，距外联槽的入射端x处的功率P(x)为式中：α'(x)为a、b、c、d号光纤前向传输的衰减系数，光从故障点反向散射，到达入射端面的功率为式中：α″(x)为上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤背向传输的衰减系数；S(x)为上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤在x点的背向散射系数，S(x)具有方向性。由光电接收系统接收到的后向散射功率P_ER(x₀)<P_R(x₀)，与光学系统损耗、光纤端面的反射率、探测器转换效率放大器等因素有关，用影响因子K表示，则有 $P_{\mathrm{ER}}\left(x_0\right)={\mathrm{KP}}_R\left(x_0\right)=\mathrm{KS}\left(x\right)\&times;P\left(x_0\right)\exp \{-{\&Integral;}_{x_0}^x[{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(x\right)+{\mathrm{\&alpha;}}^{\&Prime;}\left(x\right)\left]\mathrm{dx}\right\},$ 进而可以确定最终裂缝的位置，基于裂缝两端面的差值或者利用上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤监测光纤前后布里渊频移量值变化可以确定裂缝可能的宽度；

(5)借助串联梁，大范围远距离的捕捉裂缝相关信息，并通过数据剥离实现多类型多条裂缝的分布式光纤监测。

监测水工结构物裂缝的光纤传感技术原理：主要采用了光纤物理参量中的光损耗值作为监测分析参数，当水工结构物试件出现裂缝时，对于预先埋在其中的光纤而言，光在光纤弯曲段中传输时，产生较大的能量辐射，其辐射损耗系数为式中：R为曲率半径； $C_1=\frac{W^2}{2\mathrm{\&beta;}{a}^2(1+W)}\frac{U^2}{V^2}{e}^{2W};C_2=\frac{2}{3}\frac{W^3}{{\mathrm{\&beta;}}^2{a}^3},$ 其中，W为包层区归一化横向模式系数；U为芯区归一化横向模式系数；β为导波模传播常数；V为归一化工作频率；a为纤芯半径。水工结构物试件裂缝导致预埋光纤产生光损耗，得到衰减的数值表，即裂缝产生的光功率损耗，基于突降的位置可以确定结构裂缝的位置及数值。设光纤入射端的光强为P(x0)，距外联槽(27)的入射端x处的功率P(x)为式中：α'(x)为光纤前向传输的衰减系数，光从故障点反向散射，到达入射端面的功率为式中：α″(x)为光纤背向传输的衰减系数；S(x)为光纤在x点的背向散射系数，S(x)具有方向性。由光电接收系统接收到的后向散射功率P_ER(x₀)<P_R(x₀)，与光学系统损耗、光纤端面的反射率、探测器转换效率放大器等因素有关，用影响因子K表示，则有 $P_{\mathrm{ER}}\left(x_0\right)={\mathrm{KP}}_R\left(x_0\right)=\mathrm{KS}\left(x\right)\&times;P\left(x_0\right)\exp \{-{\&Integral;}_{x_0}^x[{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(x\right)+{\mathrm{\&alpha;}}^{\&Prime;}\left(x\right)\left]\mathrm{dx}\right\},$ 进而可以确定最终裂缝的位置，基于裂缝两端面的差值或者利用监测光纤前后布里渊频移量值变化可以确定裂缝可能的宽度。

有益效果：本发明的一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其充分考虑传统监测仪器的不足及现有光纤监测裂缝装置的缺陷，利用各部件的力学性能及光纤的传感技术，实现了内外部、分布式监测水工结构物的多向性、微宏观裂缝，兼顾室内试验以及现场工程应用的特点及不同材料属性和力传导的特性，设置圆形结构、多通道、宏观刻度、凹槽保护等多细部构件，大大增加了装置的实际应用潜力，为处于复杂环境下水工结构物的裂缝监测提供了一种新型的、可靠的、合理的、多功能的监测装置；一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置的监测方法，操作简单，监测结果准确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的左视结构示意图；

图4为本发明的主视结构示意图；

图5为上下剪切光纤连接装置细部结构图；

图6为集线载台细部结构图；

图7为光纤护套的结构示意图；

其中：1-下载道；2-下承台；3-下移动连杆；4-串联梁；5-转向螺杆；6-转阀；7-护圈；8-弧夹；9-旋杆；10-下旋转梁；11-下转球；12-转球竖梁；13-上旋转梁；14-上转球；15-螺纹型控制台；16-螺纹阀；17-螺纹拉压杆；18-通道护环；19-竖向通道；20-伸缩竖梁；21-微调横螺柱；22-上张拉台；23-下张拉台；24-上剪切台；25-集线载台；26-光纤多向通道；27-外联槽；28-转动护盖；29-旋转圆台；30-旋转外柄；31-转环；32-支撑梁；35-上移动连杆；36-上载道；37-上承台；50-下剪切光纤；51-张拉光纤；52-上剪切光纤；60-下剪切台；70-高硬外环；71-软绵内套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图7所示，本发明的一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，包含转球竖梁12、位于转球竖梁12上端的上剪切装置、位于转球竖梁12下端的下剪切装置、位于上剪切装置与下剪切装置之间的拉伸装置，上剪切装置包含对称设置的半圆形的上剪切台24、连接两个上剪切台24的上移动连杆35和位于上剪切台24上的上承台37，上承台37下方延伸有上载道36，上剪切台24下方通过转向螺杆5与上旋转梁13连接，上旋转梁13内安装有上剪切光纤52，上剪切光纤52通过剪切锁紧装置固定在上旋转梁13内，上旋转梁13通过上转球14与转球竖梁12铰接，上剪切台24沿上载道36在做直线运动，相对的上剪切台24切向运动，带动上剪切光纤52拉伸；下剪切装置包含对称设置的半圆形的下剪切台60、连接两个下剪切台60的下移动连杆3和位于下剪切台60下的下承台2，下承台2下方延伸有下载道1，下剪切台60下方通过转向螺杆5安装有下旋转梁10，下旋转梁10内安装有下剪切光纤50，下剪切光纤50通过剪切锁紧装置固定在下旋转梁10内，下旋转梁10通过下转球11与转球竖梁12铰接，下剪切台60沿下载道1在做直线运动，相对的下剪切台60切向运动，带动下剪切光纤50拉伸；拉伸装置包含张拉光纤51、上张拉台22、下张拉台23和位于上张拉台22与下张拉台23之间的伸缩竖梁20，张拉光纤51依次穿过上张拉台22、伸缩竖梁20和下张拉台23，张拉光纤51通过拉伸锁紧装置固定在上张拉台22和下张拉台23上，上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51分别与集线载台25连接。

在本发明中，剪切锁紧装置包含转阀6、护圈7、弧夹8和旋杆9，护圈7套在上旋转梁13并与转向螺杆5连接，护圈7上安装有旋杆9，旋杆9的头部安装有转阀6，旋转的尾部活动连接弧夹8，通过弧夹8锁紧上剪切光纤52或下剪切光纤50。

在本发明中，拉伸锁紧装置包含螺纹型控制台15、螺纹阀16、螺纹拉压杆17、微调横螺柱21和通道护环18，上张拉台22与下张拉台23分别设有竖向通道19，竖向通道19内设有通道护环18，张拉光纤51位于竖向通道19内，上张拉台22与下张拉台23分别固定安装有一对螺纹型控制台15，一对螺纹型控制台15分别位于竖向通道19的两侧，每个螺纹型控制台15上旋入了微调横螺柱21，微调横螺柱21与螺纹拉压杆17螺纹连接，螺纹拉压杆17与通道护环18连接，微调横螺柱21穿过螺纹型控制台15，微调横螺柱21的进出连带了螺纹拉压杆17的进出，通道护环18外壁与螺纹拉压杆17外表面面面接触，通过竖向通道19的张拉光纤51会因为外环荷载的施加而被以非刚性固定。螺纹阀16可以控制微调横螺柱21的运动，微调横螺柱21横穿过螺纹型控制台15，微调横螺柱21的进出带动螺纹拉压杆17的进出；通道护环18的外壁与螺纹拉压杆17的外表面是面面接触，伸缩竖梁20处于上张拉台22与下张拉台23之间，转球竖梁12在上张拉台22与下张拉台23所在竖向平面内以转球竖梁12的竖向轴线转动，上张拉台22与下张拉台23会产生竖向平面内以转球竖梁12的竖向轴线为基线的转动，伸缩竖梁20会在遭受转向力的情况下发生竖向平面内的弯曲，进而带动内部光纤的宏观弯曲曲率的变化。

在本发明中，下剪切台60主要是应用于监测第一方向的剪切裂缝，该下剪切台60由处于同一平面内的两个对称分布的半圆型载台组成，且该对称半圆形载台通过下移动连杆3相连接，剪切裂缝的切向荷载会使对称分布的半圆型载台产生切向运动，半圆型载台会产生沿着下承台2中下载道1的运动，自由切向转动的下移动连杆3也被带动。

在本发明中，下旋转梁10与下剪切台60相连接，通过下旋转梁10两端的转向螺杆5，将下旋转梁10固定于下剪切台60上，下旋转梁10与下移动连杆3平行的中间段具有弹性，下端转阀6的旋转带动下端的旋杆9转动，旋杆9的转动带动下端的弧夹8移动，当下剪切光纤50通过下旋转梁10时，下剪切光纤50的两端被弧夹8固定，下移动连杆3的转动，带动了下旋转梁10中间部位与下移动连杆3同步的运动，从而引光纤物理参量的变化。

在本发明中，上旋转梁13通过上端的转向螺杆5与上剪切台24连接，成为协同变形体，位于上旋转梁13中间部位凹槽内的上转球14与转球竖梁12铰接，上转球14可进行以转球竖梁12为轴心的轴向旋转，在上剪切台24平面内，当上剪切台24遭受所在平面内因裂缝产生的错位荷载时，上剪切台24将产生绕着转球竖梁12的错动，进而产生沿着上载道36的运动，在上旋转梁13内控制上端的转阀6带动上端的旋杆9，进而，调整上端的弧夹8，将上剪切光纤52水平固定在上旋转梁13两端，对于上旋转梁13而言，上旋转梁13两端与刚性护圈7连接，上旋转梁13在其中间部位也通过刚性护圈7将其连接到上剪切台24，在上剪切台24遭受错向裂缝荷载时，上剪切台24将会沿着上载道36在上承台37进行移动，进而带动了上剪切光纤52上物理参量的相应变化，最终，可以实现捕捉裂缝的微宏观变化。

在本发明中，所有与下剪切光纤50、张拉光纤51、上剪切光纤52相连接的部件都刻有刻度，其主要功能是可实现宏观裂缝的捕捉和辨识，对于本装置而言，高硬外环70与软绵内套71组合构成了光纤护套，高硬外环70可以保证在外部荷载作用时，下剪切光纤50、张拉光纤51、上剪切光纤52不受其影响，处于高硬外环70与软绵内套71组合下的光纤通道段，可以用于温度补偿计算或者监测过程中的对比参照；软绵内套71具有较好的弹性，可以适合不同直径尺寸光纤的通过，且能很好的与高硬外环70进行过渡，保证了光纤的高概率的成活率，大大增加实际工程的应用能力。

在本发明中，上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51外套有光纤护套，光纤护套包含高硬外环70与位于高硬外环70内壁的软绵内套71，上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51位于软绵内套71内。

在本发明中，上剪切台24与小剪切台交叉分布，上剪切台24与下剪切台60按照一定角度分布可以实现多角度多方向裂缝监测；当上剪切台24与下剪切台60和上张拉台22与下张拉台23组合使用时，本装置具备了同时监测剪切裂缝与张拉裂缝的功能。

在本发明中，集线载台25包括四个光纤连接端口和一个备用端口，四个光纤连接端口即为a、b、c、d端口，集线载台25上安装有通过支撑梁32固定的旋转转台，四个光纤连接端口和一个备用端口位于旋转转台的四周，旋转转台的中心安装有转环31，转环31与旋转外柄30连接，集线载台25上还设有外联槽27，外联槽27边上安装有转动护盖28，转动转动护盖28可将外联槽27覆盖。光纤连接端口通过支撑梁32将旋转圆台29固定，通过旋转圆台29上的转环31，利用与转环31相接的旋转外柄30可以将光纤多向通道26a、b、c、d、e按照监测需要调整到外联槽27处，以便与外部光纤物理信息采集装置相连，在不工作的状态，转动护盖28将外联槽27覆盖，且所有其他光纤都在集线载台25内部，其将光纤外端口与外部环境隔离，该种设计大大降低了实际工程中因为外部不利环境所造成的端口破坏的概率，提高了本装置整体的应用能力。

在本发明中，相邻的两个水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置通过串联梁4连接，串联梁4内部具有贯通的光纤通道，且该串联梁4具有刻度标示，其内部的光纤通道同样具有高硬外环70与软绵内套71组合，串联梁4可以将相临近的两个装置进行串联组合，实现大范围监测；在单一装置存在时，可以通过增大串联梁4的长度将其布设到远距离大范围处，根据其标示刻度及布设光纤所监测到的信息变化实现远距离裂缝监测；通过上述两种形式的布设与组合可以实现水工结构物裂缝的分布式监测。

将各个部件按照规定的安装次序装配，采用SMF-28e型通用光纤作为下剪切光纤50、张拉光纤51、上剪切光纤52的具体应用案例样纤，调整好各光纤位置，设置好裂缝位置来模拟实际可能的裂缝产生，下面具体说明本装置的具体使用方案，但其使用不限于此。

一种上述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置的监测方法，包括以下步骤：

(1)第一步，在上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51安置于本装置之前，对上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51的基本尺寸及光纤信息进行监测与采集，进而标定初始使用的光纤参量，检验装置连通性；

(2)第二步，通过转阀6转动弧夹8将下剪切光纤50和上剪切光纤52分别固定于下旋转梁10和上旋转梁13处，将下剪切光纤50引至高硬外环70与软绵内套71所组成的光纤通道中，后将下剪切光纤50连接到集线载台25上的a、c端口处；

(3)第三步，调整螺纹阀16使通道护环18压缩，然后将张拉光纤51布置于竖向通道19内，最后，将张拉光纤51上下两端分别固定到集线载台25上的光纤多向通道26中的b、d端口；记录标示初始温度数据值；

(4)第四步，依据上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51物理参量中的光损耗值、布里渊频率量等光学信息，捕获裂缝的位置、获取裂缝的宽度，对于预先埋在其中的光纤而言，水工结构物试件裂缝导致预埋光纤产生光损耗，得到衰减的数值表，即裂缝产生的光功率损耗，基于突降的位置可以确定结构裂缝的位置及数值。设上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51中待监测光纤的入射端光强为P(x0)，距外联槽27的入射端x处的功率P(x)为式中：α'(x)为a、b、c、d号光纤前向传输的衰减系数，光从故障点反向散射，到达入射端面的功率为式中：α″(x)为上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51背向传输的衰减系数；S(x)为上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51在x点的背向散射系数，S(x)具有方向性。由光电接收系统接收到的后向散射功率P_ER(x₀)<P_R(x₀)，与光学系统损耗、光纤端面的反射率、探测器转换效率放大器等因素有关，用影响因子K表示，则有 $P_{\mathrm{ER}}\left(x_0\right)={\mathrm{KP}}_R\left(x_0\right)=\mathrm{KS}\left(x\right)\&times;P\left(x_0\right)\exp \{-{\&Integral;}_{x_0}^x[{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}\left(x\right)+{\mathrm{\&alpha;}}^{\&Prime;}\left(x\right)\left]\mathrm{dx}\right\},$ 进而可以确定最终裂缝的位置，基于裂缝两端面的差值或者利用上剪切光纤52、下剪切光纤50和张拉光纤51监测光纤前后布里渊频移量值变化可以确定裂缝可能的宽度；

(5)第五步，借助串联梁4，大范围远距离的捕捉裂缝相关信息，并通过数据剥离实现多类型多条裂缝的分布式光纤监测。

本实施例中采用与下剪切台60平行的剪切裂缝与上张拉台22和下张拉台23垂直发生的张拉裂缝为模拟对象。首先，需要将作为温度补偿段的光纤信息进行收集；其次，转动转环31上的旋转外柄30带动旋转圆台29上的光纤多向通道26的转动，分别监测在试验前各个光纤的初始信息，当下剪切台60两个对称分布的半圆形载台在遭受剪切裂缝时，将出现沿着下承台2上的下载道1所进行的运动，其将带动下移动连杆3转动，同时，下旋转梁10中的下剪切光纤50发生变化，产生光损耗，然后可以利用光损耗监测设备监测在裂缝发展过程中光损耗值的变化。

通过螺纹阀16对微调横螺柱21的控制作用，调整螺纹拉压杆17的进缩，从而控制穿过伸缩竖梁20的张拉光纤51的两端，当上张拉台22和下张拉台23受到张拉裂缝影响时，上张拉台22和下张拉台23产生沿着转球竖梁12的转动变形，张拉光纤51也将随之发生变化，然后利用光损耗监测设备监测在裂缝发展过程中张拉光纤51的光损耗值的变化。

当多方向上的两个或者多个类型裂缝同时发生或者对称分布的裂缝产生时，其将重复上述两个基本步骤，通过监测光纤物理信息的变化，且滤去温度补偿光纤的对应信息，来实现监测裂缝的分布情况，在使用串联梁4时，可以将大范围远距离的裂缝信息进行捕捉监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：包含转球竖梁、位于转球竖梁上端的上剪切装置、位于转球竖梁下端的下剪切装置、位于上剪切装置与下剪切装置之间的拉伸装置，所述上剪切装置包含对称设置的半圆形的上剪切台、连接两个上剪切台的上移动连杆和位于上剪切台上的上承台，所述上承台下方延伸有上载道，上剪切台下方通过转向螺杆与上旋转梁连接，上旋转梁内安装有上剪切光纤，上剪切光纤通过剪切锁紧装置固定在上旋转梁内，上旋转梁通过上转球与转球竖梁连接，上剪切台沿上载道在做直线运动，相对的上剪切台切向运动，带动上剪切光纤拉伸；所述下剪切装置包含对称设置的半圆形的下剪切台、连接两个下剪切台的下移动连杆和位于下剪切台下的下承台，所述下承台下方延伸有下载道，下剪切台下方通过转向螺杆安装有下旋转梁，下旋转梁内安装有下剪切光纤，下剪切光纤通过剪切锁紧装置固定在下旋转梁内，下旋转梁通过下旋转球与转球竖梁连接，下剪切台沿下载道在做直线运动，相对的下剪切台切向运动，带动下剪切光纤拉伸；所述拉伸装置包含张拉光纤、上张拉台、下张拉台和位于上张拉台与下张拉台之间的伸缩竖梁，张拉光纤依次穿过上张拉台、伸缩竖梁和下张拉台，张拉光纤通过拉伸锁紧装置固定在上张拉台和下张拉台上，所述上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤分别与集线载台连接。

2.根据权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：所述剪切锁紧装置包含转阀、护圈、弧夹和旋杆，所述护圈套在上旋转梁并与转向螺杆连接，护圈上安装有旋杆，旋杆的头部安装有转阀，旋杆的尾部活动连接弧夹，通过弧夹锁紧上剪切光纤或下剪切光纤。

3.根据权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：所述拉伸锁紧装置包含螺纹型控制台、螺纹阀、螺纹拉压杆、微调横螺柱和通道护环，所述上张拉台与下张拉台分别设有竖向通道，竖向通道内设有通道护环，张拉光纤位于竖向通道内，上张拉台与下张拉台分别固定安装有一对螺纹型控制台，一对螺纹型控制台分别位于竖向通道的两侧，每个螺纹型控制台上旋入了微调横螺柱，微调横螺柱与螺纹拉压杆螺纹连接，螺纹拉压杆与通道护环连接，微调横螺柱穿过螺纹型控制台，微调横螺柱的进出连带了螺纹拉压杆的进出，通道护环外壁与螺纹拉压杆外表面面面接触，通过竖向通道的张拉光纤会因为外环荷载的施加而被以非刚性固定。

4.根据权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：所述上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤外套有光纤护套，光纤护套包含高硬外环与位于高硬外环内壁的软绵内套，上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤位于软绵内套内。

5.根据权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：所述上剪切台与下剪切台交叉分布。

6.根据权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置，其特征在于：所述相邻的两个水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置通过串联梁连接。

7.一种如权利要求1所述的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置的监测方法，其特征在于：该方法所基于的水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置中，所述剪切锁紧装置包含转阀、护圈、弧夹和旋杆，所述护圈套在上旋转梁并与转向螺杆连接，护圈上安装有旋杆，旋杆的头部安装有转阀，旋杆的尾部活动连接弧夹，通过弧夹锁紧上剪切光纤或下剪切光纤；

所述集线载台包括四个光纤连接端口和一个备用端口，集线载台上安装有通过支撑梁固定的旋转转台，四个光纤连接端口和一个备用端口位于旋转转台的四周，旋转转台的中心安装有转环，转环与旋转外柄连接，集线载台上还设有外联槽，外联槽边上安装有转动护盖，转动转动护盖可将外联槽覆盖；

所述相邻的两个水工结构物多向性微宏观裂缝内外分布式监测装置通过串联梁连接；

该方法包括以下步骤：

(1)在上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤安置于本装置之前，对上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤的基本尺寸及光纤信息进行监测与采集，进而标定初始使用的光纤参量，检验装置连通性；

(2)通过转阀转动弧夹将下剪切光纤和上剪切光纤分别固定于下旋转梁和上旋转梁处，将下剪切光纤引至高硬外环与软绵内套所组成的光纤通道中，后将下剪切光纤连接到集线载台上的两个光纤连接端口处；

(3)调整螺纹阀使通道护环压缩，然后将张拉光纤布置于竖向通道内，最后，将张拉光纤上下两端分别固定到集线载台上的光纤多向通道中的另外两个端口；记录标示初始温度数据值；

(4)依据上剪切光纤、下剪切光纤和张拉光纤物理参量中的光损耗值、布里渊频率量这些光学信息，捕获裂缝的位置、获取裂缝的宽度；

(5)借助串联梁，大范围远距离的捕捉裂缝相关信息，并通过数据剥离实现多类型多条裂缝的分布式光纤监测。