CN104482876B - 基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统，该系统包括混凝土结构表面、啁啾光纤光栅传感器单元、数据通讯模块、计算机监测单元；所述的啁啾光纤光栅传感器单元中的传感器组在水利水电工程导水、泄水建筑物施工过程中垂直于混凝土表面预嵌入混凝土中，传感器组的顶端与混凝土表面齐平，用来监测由于含沙水流磨蚀、高速水流空蚀等原因引起的混凝土侵蚀；传感器组的末端通过数据通讯模块与计算机监测单元相连，数据通讯模块与计算机监测单元之间采用串口方式连接。该发明测试精度高，其单点的深度测量能达到亚mm级的精度，该发明具有工作稳定、信息准确、显示直观、及可拓展使用等优点。

Description

基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统

技术领域

本发明属于水利水电工程安全运行监测领域，特别是涉及一种基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统，具体地说是利用预嵌入水利水电工程结构的啁啾光纤光栅对结构的混凝土表面侵蚀情况进行监测，并对监测数据进行实时分析处理，获得混凝土磨蚀及空蚀深度及其位置信息的测量系统和方法。

背景技术

作为国家重要基础建设之一的水利水电工程，由于受到长期水流特别是含沙水流的冲刷作用，导水、泄水建筑物的混凝土表面常有磨蚀、空蚀破坏现象产生。磨蚀(空蚀)深度的进一步扩大极易造成结构缝失效，钢筋外露等现象，甚至危害到水工结构物的整体安全性。因此，为保证结构长期安全运行，必须在结构物施工、运行过程中进行结构健康安全监测。

针对水工混凝土磨蚀(空蚀)深度的监测手段主要为目视监测和仪器监测。仪器监测中先后经历了回波探测、声纳法等非同步式监测手段。但由于上述监测手段易受噪声干扰，无法实现连续或实时监测效果，无法推广使用。近年来，由于光纤光栅传感器的化学性能稳定；传输损耗小；传输容量大；精度高、灵敏高度等优点，在目前该领域的少有的监测设备中，均选取光纤光栅传感器作为实现实时监测的最优应变传输介质。水工结构健康安全监测须贯穿整个施工，运行过程，因此需要达到长时间，广分布，高精度，便于操作的监测效果。

国内外相关专利及文献分析指出，目前将光纤光栅应用到冲刷监测系统中的研究较少。台湾地区最早提出一种地基土冲刷传感器，借助当土层被冲刷带动水动力变化而引起传感器感知的应变上下波动，得知土层厚度变化。该方法一般适用于水流速度较大的情况，同时存在工艺水平要求高，为了提高精度或扩展量程必须增大传感器的布设密度的缺点。东南大学研发的一种长标距光纤光栅传感器及其配套的监测系统，适用于河床冲刷监测过程。但是在水利水电工程中易诱发严重的水流侵蚀问题。天津大学开发了一种区域分布式泄水建筑物空蚀监测系统，该发明满足了准分布式的监测需要，但是其数据分析过程十分复杂，同时也没有实现连续监测。综合而言，目前国内少有的传感器监测系统多存在监测范围小、不能长期实时监测、精度低、数据处理繁琐等缺陷，并不能满足当前水利水电工程结构中及时掌握结构物混凝土表面性状，能便于大范围批量处理监测数据，易操作等要求，因此，基于光纤光栅传感器开发一种新的混凝土磨蚀或空蚀深度实时监测系统，以达到实时测量混凝土表面的磨蚀(或空蚀)破坏程度，尤其是在洞式泄水建筑物、消力池等不易直接观测到的混凝土部位显得势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有耐腐蚀、抗电磁干扰、传感精度高、准分布式监测、物理量的绝对同步测量、能实现长期监测和大范围监测的基于单光纤光栅(啁啾光纤布拉格光栅传感器)的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统。

本发明提供的基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统，结构如图1所示，包括混凝土结构表面、啁啾光纤光栅传感器单元、数据通讯模块、计算机监测单元。所述的啁啾光纤光栅传感器单元中的传感器组在水利水电工程导水、泄水建筑物施工过程中垂直于混凝土表面预嵌入混凝土中，传感器组的顶端与混凝土表面齐平，用来监测由于含沙水流磨蚀、高速水流空蚀等原因引起的混凝土侵蚀；传感器组的末端连接数据通讯模块，数据通讯模块与计算机监测单元之间采用串口方式连接。

所述的计算机监测单元包括数据处理模块、动态显示模块和报警模块。数据处理模块将传感器通过数据通讯模块传来的监测信号实时计算分析，得到混凝土表面冲刷破坏深度，观测结束后混凝土表面的侵蚀信息可以保存在计算机中；动态显示模块将传感器顶端所在位置和混凝土表面冲刷破坏深度进行可视化显示，混凝土表面冲刷破坏深度以动态曲线显示；报警模块，一旦混凝土表面冲刷破坏深度超过预设报警值，则启动闪烁报警。

本发明是一种嵌入式的、同步混凝土磨蚀(空蚀)、实现实时监测的、基于单光纤光栅传感器的监测系统。适用于直接定量监测混凝土结构物在水流冲刷作用下磨蚀(空蚀)深度变化。应用于恶劣的土木水利工程环境中，尤其是在洞式泄水建筑物、消力池等不易直接观测到的混凝土部位。具有耐腐蚀、抗电磁干扰、高精度、广分布，易形成传感网络等优点。

利用啁啾光纤光栅传感器测量混凝土磨蚀及空蚀深度是基于下面的原理实现的：

1、啁啾光纤光栅传感器在混凝土最初浇筑工作中直接埋入，光纤垂直于混凝土表面，其顶端与混凝土的表面相平。预嵌入混凝土的啁啾光纤光栅传感器示意图见图2。由于光纤直径只有250微米，且为脆性，可以认为一旦包裹啁啾光纤光栅传感器的混凝土发生侵蚀，啁啾光纤光栅传感器会以相同的速率发生侵蚀。

2、根据啁啾光纤布拉格光栅的性质可知，当传感器长度减小时，啁啾光栅的反射谱的带宽会出现相应频率的缺失，从而引起反射波长的变化。图3给出了一次试验中根据监测系统记录数据绘制的某监测点未发生冲刷破坏和冲刷破坏深度为4mm(实测)时的反射光谱(该例中，啁啾率为1.5nm/cm，传感器长20mm)。同时，利用啁啾光纤布拉格光栅的耦合模理论和矩阵传输法可计算出啁啾光纤光栅传感器在不同损失长度时的反射光谱。理论计算得到的由于啁啾光纤光栅传感器长度减小引起的反射光谱带宽缩减曲线图(计算条件为进行图3所示的试验)如图4所示。通过将实际观察到的光谱与理论光谱计算值进行对照，从而确定该传感器布置处的冲刷破坏深度。

本发明的优点和积极效果：

本发明的基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统，对啁啾光纤光栅传感器测量的数据进行实时分析，得到传感器布置处的冲刷破坏深度这一关注信息，具有工作稳定、信息准确、显示直观、及可拓展使用等优点。

1、本监测系统采用单光纤光栅测量方法，利用啁啾光纤光栅传感器与混凝土表面同步发生侵蚀的特点，直接通过计算得到了混凝土表面冲刷破坏深度，本监测系统克服了其它方法判断冲刷破坏深度的受控因素多变、不清晰的缺点。

2、一组啁啾光纤光栅传感器单元可同时布设多个监测点，系统内可同时布置多组传感器单元，可在单位平面上实现高密度监测点的埋设，从而实现准分布式测量。

3、该监测系统的数据处理模块中，磨蚀(空蚀)深度的确定是通过对照实测光谱曲线与理论的光谱计算曲线而得到，大大减小了单个数据分别计算的工作量。

4、本监测系统单个数据点的监测误差控制在0.5mm，克服了其他监测方法精度不高的缺点。

5、本监测系统的各个监测点，通过动态曲线来显示混凝土表面冲刷破坏深度，可视化效果良好，可为工程监测人员提供直观的冲刷破坏信息。

6、本监测系统可拓展性强，可适用于其他工程结构的损伤监测。

本发明将啁啾光纤光栅传感器预埋设到浇筑的混凝土结构中，传感器组的末端连接数据通讯模块，并与计算机监测单元相连，数据通讯模块与计算机监测单元之间采用串口方式连接，从而形成了一个可以监测混凝土构件内部磨蚀(空蚀)深度变化的基于啁啾光纤光栅传感器的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统。该传感器由于埋设在混凝土内部，具有较高的抗干扰性和耐久性。传感器与混凝土表面同步磨蚀(空蚀)，实现物理量的绝对测量；由于光纤传感器直径很小(250微米)，传感器的安装不影响混凝土的物理特性，可实现单位面积中的高密度监测或大范围同步监测，形成动态监测网络。该监测系统能同时快速处理大量的监测数据，并直接得到磨蚀(空蚀)数据，大大降低了现场单个数据处理的工作量，并能对现场冲刷深度做出快速反应，达到能提前有效预警的效果。此外，该传感器监测系统，利于集成到结构健康监测网络，有望实现三维动态可视化监测，解决了大型水利结构，尤其是在洞式泄水建筑物、消力池等不易直接观测到的混凝土构筑物的水流冲刷问题，具有重大的实际应用及推广意义。

附图说明

图1是本发明基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统结构框图；

图2是预嵌入混凝土的啁啾光纤光栅传感器示意图；

图3是本发明一次试验中测绘的某监测点未发生冲刷破坏和冲刷破坏深度为4mm(实测)时的反射光谱；

图4是本发明中啁啾光纤光栅传感器长度减小引起的反射光谱带宽缩减曲线图(理论计算例图)；

图5是本发明一次试验过程中某一传感器监测到的混凝土冲刷破坏深度变化曲线。

图中，1：混凝土结构表面；2：光纤光栅传感器；3：数据通讯模块；4：计算机监测单元；5：数据处理模块；6：动态显示模块；7：报警模块；8：侵蚀方向；9：混凝土表面；10：啁啾光栅；11：光纤包层；12：光缆；13：预警时间点。

具体实施方式

实施例1：

下面将结合本发明技术方案与附图详细叙述本发明的具体实施例，显然所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统结构如图1所示。该实时监测系统包括：混凝土结构表面1、光纤光栅传感器单元2、数据通讯模块3、计算机监测单元4。传感器单元通过数据通讯模块与计算机监测单元相连，数据通讯模块与计算机监测单元之间采用串口方式连接；计算机监测单元包括数据处理模块5、动态显示模块6和报警模块7。

实施例的具体实施步骤：

1)在混凝土结构的施工过程中，在设定的预监测部位，将啁啾光纤光栅传感器顶端预嵌入到混凝土中，这一过程需要保证传感器的顶端与混凝土结构表面9齐平(如图2所示)，末端与数据通讯模块相连。

2)将光纤光栅传感器单元2、数据通讯模块3、计算机监测单元4连接起来；打开计算机监测单元4，输入每个监测点的位置和名。启动实时监测功能，动态显示模块6的编译程序驱动显示器显示数据处理模块5得到的磨蚀深度与时间的关联性曲线。

3)混凝土结构表面9承受水流作用；

4)数据处理模块5中，根据采集到传感器长度的变化，采用耦合模理论、利用传输矩阵法来计算不同监测点混凝土冲刷破坏深度后对应的磨蚀后的传感器的反射率R_i。公式如下：

式中，其中，λ_e代表了光栅的中心波长，s是与入射角有关的条纹可见度，Λ是光栅周期，是定义光栅啁啾率(其中，z轴是光纤的轴向)的函数，是DC指数相对于光栅周期或者光栅包络的平均变化。λ_d＝2πn_effλ是折射率无限微弱变化时(如，δn_eff→0)的设计峰值反射波长。κ和ζ⁺是第k个部分的自耦合系数。

根据上述公式计算在已知传感器长度的情况下，对应的反射率与波长的曲线，见图3。在数据分析模块中，存储了大量的预设传感器长度对应的反射率与波长关系曲线。当磨蚀现象发生后，光学仪器测量记录仪器上显示的接收监测点的反射光谱，将该光谱与预存光谱曲线进行对照，从而得到对应的冲蚀深度值。该对照过程是仪器通过一系列的衍射光栅将入射光束衍射到电荷耦合器件(CCD)上的不同像素位置，不同的像素位置代表着不同的波长，从而保证对照的精确度。

5)动态显示模块6以动态曲线实时显示出来冲刷破坏的发展情况；在未达到工作人员设定的预警值之前，系统不会做出动作，工作人员自行判断是否需要采取工程措施阻止冲刷破坏的发展；

6)若此时计算机监测单元4监测到某一点的冲刷破坏深度达到了预警值，报警模块7会启动闪烁报警，提醒工作人员采取工程措施限制冲刷破坏的发展；

7)完成一次监测后，保存混凝土冲刷破坏信息，关闭计算机监测单元4。

图5为一次具体的试验过程中某一传感器监测到的混凝土冲刷破坏深度变化曲线。混凝土结构表面9在预警时间点13(约12100s时)，冲刷破坏深度达到预警值3mm，故启动闪烁报警。这时试验中采取减小流量的方法，从图5可以看出冲刷破坏得到了控制；将水流条件恢复为原来情况，则观察到冲刷破坏进一步发展；最后关闭水流，观察到冲刷破坏不再发展。由于洞式泄水建筑物、消力池等不易直接观测到混凝土部位，往往事后才可以对冲刷破坏程度做出检查，大大增加了发生重大破坏事故的危险，本发明系统的实时监测功能无疑大大改善了这一状况，得以让工作人员及时采取工程措施。

实施例结果表明：本发明监测系统可实时准确的获取混凝土结构表面的冲刷破坏信息，并实时直观的显示，使用简单、方便；也可用于其他工程的损伤监测，提供直观、实用的损伤信息。

需要说明的是，本实施例作为模型试验，设定的预警值较小，实际工程中应根据工程实际具体分析，合理设定。

Claims (2)

1.一种基于啁啾光纤光栅的混凝土磨蚀及空蚀深度实时监测系统，其特征在于该系统包括混凝土结构表面、啁啾光纤光栅传感器单元、数据通讯模块、计算机监测单元；所述的啁啾光纤光栅传感器单元中的传感器组在水利水电工程导水和泄水建筑物施工过程中垂直于混凝土表面预嵌入混凝土中，传感器组的顶端与混凝土表面齐平，一旦包裹啁啾光纤光栅传感器的混凝土发生侵蚀，啁啾光纤光栅传感器会以相同的速率发生侵蚀，用来监测由于含沙水流磨蚀和高速水流空蚀原因引起的混凝土侵蚀；传感器组的末端连接数据通讯模块，数据通讯模块与计算机监测单元之间采用串口方式连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的计算机监测单元包括数据处理模块、动态显示模块和报警模块；数据处理模块将传感器组通过数据通讯模块传来的监测信号实时计算分析，得到混凝土表面冲刷破坏深度，监测结束后混凝土表面的侵蚀信息保存在计算机中；动态显示模块将传感器顶端位置和混凝土表面冲刷破坏深度进行可视化显示，混凝土表面冲刷破坏深度以动态曲线显示；报警模块，混凝土表面冲刷破坏深度超过预设报警值时启动闪烁报警。