CN104897184B - 涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统及方法，包括绝热桶、位于绝热桶内环绕其轴线的若干个率定模块，率定模块包含通轴、第一电子温度计和第二电子温度计，通轴上缠绕待率定光缆，待率定光缆与绝热桶外的光纤温度解调仪连接，第一电子温度计和第二电子温度计分别与绝热桶外的第一控温表和第二控温表连接，绝热桶的桶壁内设有用于加热绝热桶中水的温源热丝，温源热丝与绝热桶外的功率控温表连接，第一控温表通过第一控温表导线同时与降温升温装置连接。本发明的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，通过降温升温装置灵活控制绝热桶内的温度变化，可单次实现对长距离光缆的高精度率定。

Description

涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统及方法

技术领域

本发明的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统及方法，属于水利与水电工程安全领域。

背景技术

对于大坝、堤防、水闸、渡槽、涵管、渠道等涉水建筑物而言，结构健康的快速可靠监测对及时发现安全隐患、保障其安全服役具有极为重大的意义。随着分布式光纤传感技术的发展，借助其获取结构性态信息、感知结构健康状况，已成为水利、土木等工程安全领域重要的研究方向，并取得了较丰富的理论成果、积累了大量宝贵的实践经验。但在实际涉水建筑物的应用中，由于工作环境、结构特点等的特殊性，诸如光纤率定等许多技术问题尚待解决和改进。

传统点式监测仪器、技术等多有相应的监测规范、流程，但对于涉水建筑物健康的分布式光纤感知，尚无明确和成熟的操作及使用规定，特别是实际涉水建筑物健康感知中所用光纤长度有时达上千米，重量达几百公斤，对于影响其监测稳定性及精度的率定问题，更是缺少必要的解决手段和措施。

在传感光纤长于100米的监测应用中，目前多基于分段率定的思想，借助常规温度计对其中某一段或某几段进行率定，用所选段温度系数的平均值作为整根传感光纤的温度系数，其精准度将随传感光纤长度的增长而不断降低，且该方法存在率定效率低、率定长度短、承载重量轻、升降温困难、温度不易控制等弊端。长距离大范围的高效率定问题，成为了分布式传感技术在涉水建筑物健康感知实际工程大规模应用和推广中的重要阻碍因素之一，急切需要研发一种新型的率定距离长、承载重量大、精度和效率高的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统和方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统及方法，率定效率高、率定距离远、承载重量大、升温降温控制方便。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，包括绝热桶、位于绝热桶内的若干个率定模块。率定模块环绕绝热桶的轴线布置，率定模块包含通轴、第一电子温度计和第二电子温度计，通轴上缠绕待率定光缆，待率定光缆与绝热桶外的光纤温度解调仪连接，第一电子温度计和第二电子温度计分别与绝热桶外的第一控温表和第二控温表连接，绝热桶的桶壁内设有用于加热绝热桶中水的温源热丝，温源热丝与绝热桶外的功率控温表连接，第一控温表通过第一控温表导线同时与第一断电弹簧和第二断电弹簧连接，第一断电弹簧与第一导电磁铁连接，第一导电磁铁同时与电磁电路开关和第二导电磁铁串联连接，第一导电磁铁与第一导电铁敏块对向布置，第一导电铁敏块通过泵机电缆线与泵机连接，泵机位于循环水箱内，泵机通过压力进水管将循环水箱内的水输入到绝热桶内；所述第二控温表通过第二控温表导线与第三断电弹簧连接，第三断电弹簧与第三导电磁铁连接，第三导电磁铁与第三导电铁敏块对向布置，第三导电磁铁同时通过电阻热敏开关与电源连接，电源与电磁电路开关连接；所述功率控温表通过功率温控导线同时与第三导电铁敏块和第二导电铁敏块连接，第二导电铁敏块与第三导电铁敏块串联连接，第二导电磁铁和第三导电磁铁串联连接，第二导电磁铁与第二断电弹簧串联连接。

作为优选，所述绝热桶包含桶体和桶盖，所述桶体由外到内包含外硬护桶、绝热中层、热丝放置层和内硬护层，桶盖为绝热硬护板，桶体的顶部设有护板槽，绝热硬护板下方安装有可沿护板槽移动的护板横轨。

作为优选，所述通轴下端通过螺纹安装在内硬护层，通轴的顶端通过顶板螺纹与顶板连接，顶板上端面与罩网连接。

作为优选，所述第一电子温度计和第二电子温度计分别通过电导线与第一控温表和第二控温表连接，电导线位于内硬护层内。

作为优选，所述待率定光缆、温源热丝和压力进水管分别穿过绝热桶的桶壁。

作为优选，所述泵机通过连通管与筛漏网连接，筛漏网与尾端管连接。

作为优选，所述罩网沿着顶板及通轴环向布置，温源热丝沿着热丝放置层进行从底到高的整体环向布置，绝热中层、内硬护层靠近温源热丝一侧均设有金属护层保护。

一种上述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的率定方法，包括以下步骤：

第一步，装配各组件、连接各电路，沿着护板槽向两边推开带护板横轨的绝热硬护板，将罩网移除，将顶板从通轴的顶板螺纹上旋出，将通轴从内硬护层中旋出，将待率定光缆沿着通轴进行螺旋状缠绕，后经罩网、外硬护桶、绝热中层、热丝放置层和内硬护层引到率定系统外；

第二步，将通轴沿着底板螺纹旋入到内硬护层中，将顶板通过顶板螺纹旋接到通轴上，后将罩网旋入到内硬护层中，构成内封闭环境，以待加热，沿着护板槽向中间推入带护板横轨的绝热硬护板，最后，封闭整个率定系统，将待率定光缆引至光纤温度解调仪中，打开光纤温度解调仪；

第三步，根据通轴上所缠绕的待率定光缆长度，确定加水量，打开第一控温表和第二控温表，第一控温表及第二控温表上将实时显示待率定光缆所在水体中的温度，将第一控温表及第二控温表调至到需要加热的温度值，打开电源，利用第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁分别吸附第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块，通过功率控温表对温源热丝进行通电加热，当达到设定温度时，通过电阻热敏开关使得第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，后经第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧将第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块分别从第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁上弹开，保持恒温，率定开始；

第四步，在需要降温时，打开电源，断开功率控温表，通过第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁产生的磁性，利用泵机电缆线将泵机打开，循环水箱内的冷水通过压力进水管对已加热水体进行热量交换，实现降温，待第一控温表及第二控温表达到待降温数值之后，通过电阻热敏开关使得第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，通过第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧实现温降恒定，在该温降数值下进行率定；

第五步，将光纤温度解调仪获取的结果值与第一控温表及第二控温表上获取的结果值基于光纤温度传感公式进行比对分析，最终完成率定分析。

在本发明中，电磁电路开关打开后，第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁因瞬时通电产生磁性，后分别将第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块吸到对应的导电磁铁上，功率控温表会被连成通路，以此，对温源热丝进行加热，当达到第一控温表或者第二控温表上的温度数值时，在连通电路中的电阻热敏开关会断开，此时，第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，后借助被压缩的第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧，将失去磁性的第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁分别从第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块上弹开，保持断开状态，停止加热，实现升温。

当电磁电路开关所在的电路连通时，断开功率控温表，打开泵机，基于设定的需要降低的温度，通过压力进水管将冷水注入率定装置中，在达到预定的温降值时，电阻热敏开关断开，第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧将失去磁性的第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁分别从第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块上弹开，保持断开状态，停止加水，实现降温。

有益效果：本发明的一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统和方法，弥补了已有技术中的不足，可一次性率定最大直径20mm、最长1800m、最重800kg的传感光纤。本系统具有双独立电路、多功能温升温降控制装置及多层保险的恒温设计等特点，其结构完整，可实现流程化、自动化应用，在降低率定成本、提高率定精度和效率以及提升光纤传感技术的工程实用化能力等方面具有较大优势。

附图说明

图1涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的结构图；

图2涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的1-1剖面图；

图3涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的2-2剖面图；

图4涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的顶板切面图。

其中：300-绝热硬护板、301-护板槽、302-顶板、303-顶板螺纹、304-护板横轨、306-第一控温表、308-第二控温表、310-功率控温表、312-隔层护管、313-通轴、317-第一断电弹簧、318-第二断电弹簧、319-第三断电弹簧、320-第三导电磁铁、321-第三导电铁敏块、322-第二导电铁敏块、323-第二导电磁铁、324-第一导电铁敏块、325-第一导电磁铁、327-电阻热敏开关、328-第二电源、329-电磁电路开关、330-压力进水管、331-循环水箱、332-筛漏网、333-泵机电缆线、334-泵机、335-连通管、336-尾端管、337-外硬护桶、338-底槽、339-罩网、340-通孔、341-第一电子温度计、343-第一通管、344-电导线、345-第二电子温度计、347-第二通管、348-待率定光缆、349-绝热中层、350-热丝放置层、353-温源热丝、354-底板槽、356-内硬护层、357-第一电源。

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4所示，本发明的一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，包括绝热桶、位于绝热桶内的若干个率定模块，若干个率定模块环绕绝热桶轴线布置，率定模块包含通轴313、第一电子温度计341和第二电子温度计345，通轴313上缠绕着待监测的待率定光缆348，待率定光缆348与绝热桶外的光纤温度解调仪连接，第一电子温度计341和第二电子温度计345分别与绝热桶外的第一控温表306和第二控温表308连接，第一控温表306和第二控温表308与第一电源357连接，绝热桶的桶壁内设有用于加热绝热桶中水的温源热丝353，温源热丝353与绝热桶外的功率控温表310连接，第一控温表306通过第一控温表导线同时与第一断电弹簧317和第二断电弹簧318连接，第一断电弹簧317与第一导电磁铁325连接，第一导电磁铁325同时与电磁电路开关329和第二导电磁铁323串联连接，第一导电磁铁325与第一导电铁敏块324对向布置，第一导电铁敏块324通过泵机电缆线333与泵机334连接，泵机334位于循环水箱331内，泵机334通过压力进水管330将循环水箱331内的水输入到绝热桶内，所述泵机334通过连通管335与筛漏网332连接，筛漏网332与尾端管336连接；所述第二控温表308通过第二控温表导线与第三断电弹簧319连接，第三断电弹簧319与第三导电磁铁320连接，第三导电磁铁320与第三导电铁敏块321对向布置，第三导电磁铁320同时通过电阻热敏开关327与第二电源328连接，第二电源328与电磁电路开关329连接；所述功率控温表310通过功率温控导线同时与第三导电铁敏块321和第二导电铁敏块322连接，第二导电铁敏块322与第三导电铁敏块321串联连接，第二导电磁铁323和第三导电磁铁320串联连接，第二导电磁铁323与第二断电弹簧318串联连接。

在本发明中，所述绝热桶包含桶体和桶盖，所述桶体由外到内包含外硬护桶337、绝热中层349、热丝放置层350和内硬护层356，桶盖为绝热硬护板300，桶体的顶部设有护板槽301，绝热硬护板300下方安装有可沿护板槽301移动的护板横轨304。外硬护桶337与内硬护层356是金属结构，绝热中层349是边缘为金属、内部为绝热材料的结构。

在本发明中，所述通轴313下端通过螺纹安装在内硬护层356，通轴313的顶端通过顶板螺纹与顶板302连接，顶板302上端面与罩网339连接，在内硬护层356设有圆形底槽，罩网339底部插入到圆形底槽内，罩网339沿着顶板302及通轴313环向布置，温源热丝353沿着热丝放置层350进行从底到高的整体环向布置。

在本发明中，所述第一电子温度计341和第二电子温度计345分别通过电导线与第一控温表306和第二控温表308连接，电导线位于内硬护层356内，待率定光缆348、温源热丝353和压力进水管330分别穿过绝热桶的桶壁，温源热丝353通过隔层护管312穿过桶壁，隔层护管312内壁设有金属护层保护，绝热中层349、内硬护层356靠近温源热丝353一侧的均设有金属护层保护。第一通管343与第二通管347内穿内硬护层356，第一通管343内布设的电导线344与第一电子温度计341底端出口相接，第二通管347内布设的电导线与第二电子温度计345底端出口相连，第一电子温度计341通过端口螺纹与内硬护层356无缝密合，罩网339上开设有多个通孔340，罩网339通过底槽338与内硬护层356相连接，待率定光缆348环向缠绕于通轴313上，通轴313上端面通过顶板螺纹303与顶板302顶端连接，顶板302上接罩网339的顶面，通轴313底面通过底板螺纹与内硬护层356上的底板槽354相接，温源热丝353被弯曲于热丝放置层350中，隔层护管312在靠近顶部位置内嵌于外硬护桶337、绝热中层349、热丝放置层350和内硬护层356中，温源热丝353穿过隔层护管312与功率温控表310相连接。

一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的率定方法，包括以下步骤：

(1)配备待率定光缆、组装封闭式率定系统

准备定长度的内套有G652型光纤的待率定光缆348，将绝热硬护板300从护板槽301中抽出，将罩网339从内硬护层356中移除，从通轴313中旋出顶板302，将内套有G652型光纤的待率定光缆348沿着通轴313从底端到顶端盘旋缠绕，最后将内套有G652型光纤的待率定光缆348从上端一横跨罩网339、外硬护桶337、绝热中层349、热丝放置层350和内硬护层356的引管引至外部的SensorTranDTS型号光纤解调仪中，旋入顶板302，内覆盖罩网339，将绝热硬护板300沿着护板横轨304推入到护板槽301中，封闭系统；

(2)双侧布设待率定光缆、进行通路验证

首先，基于内套有G652型光纤的待率定光缆348的长度，将其平均分配到左右对称分布的通轴313上，进行双侧布设，使用SensorTranDTS型解调仪对待率定光缆348进行通路探测，待通路验证无误之后，完全封闭整个率定系统，打开SensorTranDTS型解调仪，连接外接电路；

(3)注水封装、调试温度

基于待率定光缆348的长度，通过压力进水管330引水至罩网339顶端的进水口，进行注水封装，待试验水位超过通轴313上所缠绕的待率定光缆348的高度时停止注水，后打开第一电源357，此时，依据第一控温表306和第二控温表308盘上的温度数值显示，确定调试试验所需温度；

(4)打开外接电路，控温加热

基于前一步骤，第一控温表306及第二控温表308盘上将会实时出现通轴313所在位置处的温度数据，打开第二电源328，此时，第一导电磁铁325、第二导电磁铁323、第三导电磁铁320将会因瞬间电流猛增产生电磁感应，致使其与第三导电铁敏块321、第二导电铁敏块322、第一导电铁敏块324相互吸附，通过功率控温表310对温源热丝353实施自动控温加热；

(5)断电恒温、率定分析

当第一控温表306及第二控温表308盘上显示达到设定温度时，通过电阻热敏开关327，使得第一导电磁铁325、第二导电磁铁323、第三导电磁铁320失去磁性，此时，第一断电弹簧317、第二断电弹簧318、第三断电弹簧319将利用其被压缩而储备的弹性将第一导电铁敏块324、第二导电铁敏块322、第三导电铁敏块321从对应位置处弹出，实现断电恒温，待需降温时，按照同样方法，断开功率控温表，停止加热，借助与第一导电铁敏块324相连接的泵机电缆线333将泵机334打开，循环水箱331内的冷水将通过压力进水管330对已加热水体进行热量交换，实现降温，最后利用光纤温度传感公式，对SensorTranDTS型解调仪测值与第一控温表306及第二控温表308盘上的测值进行比对分析，完成传感光缆的率定过程。

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 (8)

1.一种涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：包括绝热桶、位于绝热桶内环绕其轴线的若干个率定模块，率定模块包含通轴、位于绝热桶桶底的第一电子温度计和第二电子温度计，通轴上缠绕待率定光缆，待率定光缆与绝热桶外的光纤温度解调仪连接，第一电子温度计和第二电子温度计分别与绝热桶外的第一控温表和第二控温表连接，绝热桶的桶壁内设有用于加热绝热桶中水的温源热丝，温源热丝与绝热桶外的功率控温表连接，第一控温表通过第一控温表导线同时与第一断电弹簧和第二断电弹簧连接，第一断电弹簧与第一导电磁铁连接，第一导电磁铁同时与电磁电路开关和第二导电磁铁串联连接，第一导电磁铁与第一导电铁敏块对向布置，第一导电铁敏块通过泵机电缆线与泵机连接，泵机位于循环水箱内，泵机通过压力进水管将循环水箱内的水输入到绝热桶内；所述第二控温表通过第二控温表导线与第三断电弹簧连接，第三断电弹簧与第三导电磁铁连接，第三导电磁铁与第三导电铁敏块对向布置，第三导电磁铁同时通过电阻热敏开关与电源连接，电源与电磁电路开关连接；所述功率控温表通过功率温控导线同时与第三导电铁敏块和第二导电铁敏块连接，第二导电铁敏块与第三导电铁敏块串联连接，第二导电磁铁和第三导电磁铁串联连接，第二导电磁铁与第二断电弹簧串联连接。

2.根据权利要求1所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述绝热桶包含桶体和桶盖，所述桶体由外到内包含外硬护桶、绝热中层、热丝放置层和内硬护层，桶盖为绝热硬护板，桶体的顶部设有护板槽，绝热硬护板下方安装有可沿护板槽移动的护板横轨。

3.根据权利要求2所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述通轴下端通过螺纹安装在内硬护层，通轴的顶端通过顶板螺纹与顶板连接，顶板上端面与罩网连接。

4.根据权利要求3所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述第一电子温度计和第二电子温度计分别通过电导线与第一控温表和第二控温表连接，电导线位于内硬护层内。

5.根据权利要求4所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述待率定光缆、温源热丝和压力进水管分别穿过绝热桶的桶壁。

6.根据权利要求5所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述泵机通过连通管与筛漏网连接，筛漏网与尾端管连接。

7.根据权利要求6所述的涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统，其特征在于：所述罩网沿着顶板及通轴环向布置，温源热丝沿着热丝放置层进行从底到高的整体环向布置，绝热中层、内硬护层靠近温源热丝一侧均设有金属护层保护。

8.一种如权利要求4至7任一项所述涉水建筑物健康感知分布式光纤率定系统的率定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，装配各组件、连接各电路，沿着护板槽向两边推开带护板横轨的绝热硬护板，将罩网移除，将顶板从通轴的顶板螺纹上旋出，将通轴从内硬护层中旋出，将待率定光缆沿着通轴进行螺旋状缠绕，后经罩网、外硬护桶、绝热中层、热丝放置层和内硬护层引出到率定系统外；

第二步，将通轴旋入到内硬护层中，将顶板通过顶板螺纹旋接到通轴上，后将罩网旋入到内硬护层中，构成内封闭环境，以待加热，沿着护板槽向中间推入带护板横轨的绝热硬护板，最后，封闭整个率定系统，将待率定光缆引至光纤温度解调仪中，打开光纤温度解调仪；

第三步，根据通轴上所缠绕的待率定光缆的长度，确定加水量，打开第一控温表和第二控温表，第一控温表及第二控温表上将实时显示待率定光缆所在水体中的温度，将第一控温表及第二控温表调至到需要加热的温度值，打开电源，利用第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁分别吸附第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块，通过功率控温表对温源热丝进行通电加热，当达到设定温度时，通过电阻热敏开关使得第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，后经第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧将第三导电铁敏块、第二导电铁敏块、第一导电铁敏块分别从第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁上弹开，保持恒温，率定开始；

第四步，在需要降温时，打开电源，断开功率控温表，通过第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁产生的磁性，利用泵机电缆线将泵机打开，循环水箱内的冷水通过压力进水管对已加热水体进行热量交换，实现降温，待第一控温表及第二控温表达到待降温数值之后，通过电阻热敏开关使得第三导电磁铁、第二导电磁铁、第一导电磁铁失去磁性，通过第三断电弹簧、第二断电弹簧、第一断电弹簧实现温降恒定，在该温降数值下进行率定；

第五步，将光纤温度解调仪获取的结果值与第一控温表及第二控温表上获取的结果值基于光纤温度传感公式进行比对分析，最终完成率定分析。