CN104977039B - 复杂环境下分布式光纤布设装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂环境下分布式光纤布设装置及方法，包括弯曲台和位于弯曲台上的导引道，导引道包含第一直线段、第二直线段和弯曲段，第一直线段上安装有第一连导台，第二直线段上安装有第二连导台，在第一直线段与弯曲段相交处设有第一变径台，第一变径台与第一锁紧装置和第二锁紧装置连接；在弯曲段的中部设有第二变径台，第二变径台与第三锁紧装置和第四锁紧装置连接；在弯曲段与第一直线段相交处设有与弯曲段相切的第一半径尺，第一半径尺的末端与第一半径缩尺连接，在弯曲段与第二直线段相交处设有与弯曲段相切的第二半径尺。本发明的分布式光纤布设装置及方法降低了工程成本、提升了复杂环境下分布式光纤监测精度和适应能力。

Description

复杂环境下分布式光纤布设装置及方法

技术领域

本发明涉及一种复杂环境下分布式光纤布设装置及方法，属于结构健康监测领域。

背景技术

分布式光纤传感技术是堤坝等大体积水工结构物及其基础健康监测的重要手段，但实际工程中复杂的结构物形态及恶劣的外界环境严重制约着分布式光纤的布设。无法实现有效精准的光纤布设将影响分布式光纤传感技术对结构物健康的监测精度，阻碍分布式光纤传感技术在实际工程中的应用和推广。

在结构物健康分布式光纤监测中，最常采用弯曲布设的方式。光纤的弯曲布设会造成光纤的弯曲损耗，在实际工程应用中，由于没有非常好地调整及控制待埋设光纤的弯曲半径，或者在施工时由于施工人员的人为因素干扰，造成光纤的弯曲损耗过大，常导致监测信号出现突变甚至整个光纤断路的情况；弯曲处光纤如果不能很好地得到控制，易导致光纤铺设不符合工程结构尺寸及施工布置等的要求，且会造成不必要的浪费；另外，对于不同的监测目的，光纤布设的弯曲半径要求也有不同。快速测定及动态调节光纤弯曲半径对提升分布式光纤传感技术在实际工程中的监测精度和应用能力具有重要意义。

本发明专利正是基于上述背景，研制了一种简易的、便于操作与控制的分布式光纤布设装置及方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复杂环境下分布式光纤布设装置及方法，降低工程成本、提升复杂环境下分布式光纤监测精度和适应能力。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的复杂环境下分布式光纤布设装置，包括弯曲台和位于弯曲台上的导引道，所述导引道包含第一直线段、第二直线段和连接第一直线段与第二直线段的弯曲段，所述第一直线段上安装有固定第一直线段的第一连导台，第二直线段上安装有固定第二直线段的第二连导台，在第一直线段与弯曲段相交处设有第一变径台，第一变径台与第一锁紧装置和第二锁紧装置连接，第二锁紧装置包含第一松固塞，第一松固塞的顶端设有第一圆弧与第一变径台连接，第一松固塞设有第一直线段穿过的第一导引孔，第一松固塞上设有与第一松固塞螺纹连接的第一旋拧圆柄，第一旋拧圆柄的头部与位于第一导引孔内的第一推板连接；在弯曲段的中部设有第二变径台，第二变径台与第三锁紧装置和第四锁紧装置连接，第四锁紧装置包含第二松固塞，第二松固塞的顶端设有第二圆弧与第二变径台连接，第二松固塞设有弯曲段穿过的第二导引孔，第二松固塞上设有与第二松固塞螺纹连接的第二旋拧圆柄，第二旋拧圆柄的头部与位于第二导引孔内的第二推板连接；在弯曲段与第一直线段相交处设有与弯曲段相切的第一半径尺，第一半径尺的末端与第一半径缩尺连接，在弯曲段与第二直线段相交处设有与弯曲段相切的第二半径尺，第二半径尺与第二半径缩尺连接。拟布设光纤的弯曲半径一般比较大，当第一半径尺与第二半径尺的尺寸不够用时，使用第一半径缩尺与第二半径缩尺，这是因为第一半径尺和第二半径尺若尺寸过长，其布置麻烦且不便于移动。

作为优选，所述第一锁紧装置包含与第一变径台连接的第一变径连柱、第一圆导台和第一圆连柱柄，所述第一圆导台通过第一圆连柱螺栓固定在弯曲台上，第一圆导台设有第一变径连柱通过的第一通孔，第一通孔的两侧安装有第一圆连柱，第一圆连柱与第一圆连柱柄连接。

作为优选，所述第三锁紧装置包含与第二变径台连接的第二变径连柱、第二圆导台和第二圆连柱柄，所述第二圆导台通过第二圆连柱螺栓固定在弯曲台上，第二圆导台设有第二变径连柱通过的第二通孔，第二通孔的两侧安装有第二圆连柱，第二圆连柱与第二圆连柱柄连接。

作为优选，所述第一变径台和第二变径台均为圆形，第二变径台的直径至少为第一变径台的1.5倍。

作为优选，所述第一连导台通过两侧的连柱固定在弯曲台上，连柱上安装有连柱帽。

作为优选，所述第二连导台底部对称的安装有具有磁力的吸力固定块。

一种上述的复杂环境下分布式光纤布设装置的方法，包括以下步骤：

第一步，装配各组件，将弯曲台安装于待弯曲区域，将拟布设光纤穿过导引道，使用连柱将第一连导台固定于弯曲台上，使用连柱帽将连柱封闭；

第二步，转动第一圆连柱柄旋开第一圆连柱，推动第一变径连柱使得第一变径台与导引道充分接触，从而控制第一圆弧，调整初始端拟布设光纤的位置，待调整完毕之后，旋动第一旋拧圆柄带动第一松固塞内的第一推板移动，第一推板将拟布设光纤固定于导引道中，第一推板在导引道的侧面，在第一推板与第一变径台之间为导引道，导引道为弹性材料制成，通过侧向带动第一推板可以将该处导引道进行压缩，进而将拟布设光纤固定，后旋紧第一圆连柱柄，通过第一圆连柱将第一变径连柱固定；

第三步，将导引道中的拟布设光纤引至第二导引孔中，转动第二圆连柱柄，将第二圆连柱从第二变径连柱中旋开，前后推动第二变径连柱，以改变第二变径台的位置，待准备完成之后，转动第二圆连柱柄旋紧第二圆连柱，以固定第二变径连柱，转动第二旋拧圆柄带动第二松固塞运动以调整第二导引孔孔径，将拟布设光纤控制于导引道中；

第四步，基于待布置尺寸，调整吸力固定块在弯曲台上的位置，待调整完成之后，利用吸力固定块将第二连导台固定于弯曲台，抽出第一半径缩尺和第二半径缩尺，基于第一半径缩尺和第二半径缩尺的交汇点，利用勾股定理计算弯曲半径长度。

有益效果：本发明的复杂环境下分布式光纤布设装置，基于分布式光纤的监测特性，利用相关力学理论，构建了一套由多量程结构、弯曲半径读数结构、保护结构等多组件构成的分布式光纤布设装置，其解决了光纤弯曲损耗过大或者弯曲布设不符工程结构尺寸及施工布置要求等问题，本发明可根据设定的弯曲半径进行自行调节及设置，极大地降低了监测成本，保证了结构监测的可靠性，在工程实用化方面具有突出优势。

附图说明

图1复杂环境下分布式光纤布设装置平面结构图；

图2第一变径连柱的主视图；

图3光纤走向上的第一松固塞结构图；

图4第二变径连柱向的主视图；

图5导引道和第二连导台的主视图；

图6光纤走向上的第二松固塞结构图。

其中：400-导引道、401-弯曲台、402-第一连导台、403-第一旋拧圆柄、404-连柱、405-第一松固塞、406-连柱帽、407-第一半径尺、408-第二半径缩尺、409-第一半径缩尺、410-第二旋拧圆柄、411-第二松固塞、412-第二半径尺、413-第一变径台、415-第一圆连柱螺栓、416-第一圆导台、417-第一变径连柱、418-第一圆连柱、419-第一圆连柱柄、420-第二变径连柱、421-第二圆连柱螺栓、422-第二圆连柱、423-第二圆导台、424-第二圆连柱柄、426-第二变径台、427-第二连导台、428-吸力固定块、429-第一导引孔、430-第一圆弧、431-第二导引孔、432-第二圆弧、433-第一推板、434-第二推板。

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6所示，本实施例为在一水工结构物的矩形水平断面上布设本装置，考虑结构断面的形状，确定使用本装置的个数为2个，分别固定在矩形断面的两个顶角处，考虑所在结构断面的尺寸为6m×10m，确定待弯曲的拟布设光纤曲率半径为0.5m，使用R＝L*ctan(θ/2)公式，θ为第一半径尺407与第二半径尺412的夹角，R为拟布设光纤所要求的曲率半径，L为第一半径尺407与第二半径尺412所需要固定的刻度，得出L＝R*tan(θ/2)，即L＝0.5m*tan(45°)，得出L＝0.5m，计算得出每一个角上的第一半径尺407与第二半径尺412的刻度固定为0.5m，由于两顶角处装置的安装及布置流程完全一样，据此，仅对某一角进行详细说明：

本弯曲台401的尺寸为0.8m长、0.8m宽、0.2m高，导引道400中的第一直线段为0.1m，第二直线段为0.1m，在第一直线段与第二直线段之间为弯曲段，第一直线段上安装有矩形断面结构的第一连导台402，第一连导台402通过螺钉固定在弯曲台上，第二直线段上安装有固定第二直线段的第二连导台427，在第一直线段与弯曲段相交处设有直径尺寸为0.1m的第一变径台413，第一变径台413与第一锁紧装置和第二锁紧装置连接，第二锁紧装置包含第一松固塞405，第一松固塞405的顶端设有第一圆弧430与第一变径台413连接，第一松固塞405设有第一直线段穿过的第一导引孔429，第一松固塞405上设有与第一松固塞螺纹连接的第一旋拧圆柄403，第一旋拧圆柄403的头部与位于第一导引孔内429的第一推板433连接；在弯曲段的中部设有直径尺寸为0.15m的第二变径台426，第二变径台426与第三锁紧装置和第四锁紧装置连接，第四锁紧装置包含第二松固塞411，第二松固塞411的顶端设有第二圆弧432与第二变径台426连接，第二松固塞411设有弯曲段穿过的第二导引孔431，第二松固塞411上设有与第二松固塞411螺纹连接的第二旋拧圆柄410，第二旋拧圆柄410的头部与位于第二导引孔431内的第二推板434连接；在弯曲段与0.1m长的第一直线段相交处设有与弯曲段相切的量程为0.5m的第一半径尺407，第一半径尺407的末端与量程为0.5m的第一半径缩尺409连接，在弯曲段与0.1m长的第二直线段相交处设有与弯曲段相切的量程为0.5m的第二半径尺412，第二半径尺412与量程为0.5m的第二半径缩尺408连接，第二半径缩尺408位于第二半径尺412内，第二半径缩尺408可伸出第二半径尺412增加第二半径尺412的量程。

第一锁紧装置包含与直径尺寸为0.1m的第一变径台413连接的第一变径连柱417、第一圆导台416和第一圆连柱柄419，所述第一圆导台416通过第一圆连柱螺栓415固定在弯曲台401上，直径尺寸为0.1m的第一圆导台416设有第一变径连柱417通过的第一通孔，第一通孔的两侧安装有第一圆连柱418，第一圆连柱418与第一圆连柱柄419连接；所述第三锁紧装置包含与第二变径台426连接的第二变径连柱420、第一圆导台416和第二圆连柱柄424，所述直径尺寸为0.1m的第二圆导台423通过第二圆连柱螺栓421固定在弯曲台401上，第二圆导台423设有第二变径连柱420通过的第二通孔，第二通孔的两侧安装有第二圆连柱422，第二圆连柱422与第二圆连柱柄424连接。第一变径台413和第二变径台426均为圆形，第一连导台402通过两侧的连柱404固定在弯曲台401上，连柱404上安装有连柱帽406，矩形断面结构的第二连导台427底部对称的安装有具有磁力的吸力固定块428。

本实施例所涉及的复杂环境下分布式光纤布设装置的方法，包括以下具体实施步骤：

(1)确定待弯曲位置、布设光纤

基于所在的水工结构体中6m×10m的水平断面待测区域，确定所需要布设的光纤长度为30m，根据待测结构体的矩形断面，确定所需弯曲部位为两个顶角处，进而确定分布式光纤布设装置的个数为2个，将分布式光纤布设装置通过弯曲台401固定于两个顶角处，基于所需的弯曲半径为0.5m，调整量程为0.5m的第一半径尺407、第一半径缩尺409、第二半径尺412、第二半径缩尺408的读数，将ZTT-GYXTW-4A1a型光纤穿过导引道400中，并将导引道400穿过具有矩形断面结构的第一连导台402，使用双侧布置的连柱404将第一连导台402固定于弯曲台401上；

(2)调制位置、固定初始弯曲端

推动第一变径连柱417，改变第一变径台413的位置，进而调整初始端的位置，待调制位置结束之后，旋转第一圆连柱柄419，将第一变径连柱417固定于第一圆连柱418处，后旋紧第一旋拧圆柄403，通过第一导引孔429将ZTT-GYXTW-4A1a型光纤固定于导引道400中；

(3)调整弯曲曲率、固定弯曲位置

将ZTT-GYXTW-4A1a型光纤通过导引道400被引至第二导引孔431后，调节第二变径连柱420，以改变第二变径台426与光纤的接触面积，基于待弯曲半径为0.5m，调整第一半径尺407、第一半径缩尺409、第二半径尺412、第二半径缩尺408，使其在刻度为0.5m的位置处进行交汇，后转动第二圆连柱柄424，将第二变径连柱420固定，利用第二松固塞411调整第二导引孔431的孔径，将光纤控制于导引道400中；

(4)引出光纤、计算弯曲半径

将光纤引出到吸力固定块428处，利用吸力固定块428将第二连导台427固定于弯曲台401处，再次通过第一半径尺407、第一半径缩尺409、第二半径尺412、第二半径缩尺408的读数，利用R＝L*ctan(θ/2)公式，计算此时所布置的弯曲半径R为0.5m，根据得出的结果半径R为0.5m与待要求弯曲半径0.5m比对，没有出现误差，无需再次调整；

(5)连接采集仪，测试试验

当第一个分布式光纤布设装置布置完成之后，需要将光纤连接到SentinelDTS-LR型分布式光纤测温主机上，检测弯曲部位的光纤信息变化情况，进行测试试验，待上述工作都完成之后，按照上述同样的方法进行下一个分布式光纤布设装置的布置。

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 (5)

1.复杂环境下分布式光纤布设装置，其特征在于：包括弯曲台和位于弯曲台上的导引道，所述导引道包含第一直线段、第二直线段和连接第一直线段与第二直线段的弯曲段，所述第一直线段上安装有固定第一直线段的第一连导台，第二直线段上安装有固定第二直线段的第二连导台，在第一直线段与弯曲段相交处设有第一变径台，第一变径台与第一锁紧装置和第二锁紧装置连接，第二锁紧装置包含第一松固塞，第一松固塞的顶端设有第一圆弧与第一变径台连接，第一松固塞设有第一直线段穿过的第一导引孔，第一松固塞上设有与第一松固塞螺纹连接的第一旋拧圆柄，第一旋拧圆柄的头部与位于第一导引孔内的第一推板连接；在弯曲段的中部设有第二变径台，第二变径台与第三锁紧装置和第四锁紧装置连接，第四锁紧装置包含第二松固塞，第二松固塞的顶端设有第二圆弧与第二变径台连接，第二松固塞设有弯曲段穿过的第二导引孔，第二松固塞上设有与第二松固塞螺纹连接的第二旋拧圆柄，第二旋拧圆柄的头部与位于第二导引孔内的第二推板连接；在弯曲段与第一直线段相交处设有与弯曲段相切的第一半径尺，第一半径尺的末端与第一半径缩尺连接，在弯曲段与第二直线段相交处设有与弯曲段相切的第二半径尺，第二半径尺与第二半径缩尺连接；

所述第一锁紧装置包含与第一变径台连接的第一变径连柱、第一圆导台和第一圆连柱柄，所述第一圆导台通过第一圆连柱螺栓固定在弯曲台上，第一圆导台设有第一变径连柱通过的第一通孔，第一通孔的两侧安装有第一圆连柱，第一圆连柱与第一圆连柱柄连接；

所述第三锁紧装置包含与第二变径台连接的第二变径连柱、第二圆导台和第二圆连柱柄，所述第二圆导台通过第二圆连柱螺栓固定在弯曲台上，第二圆导台设有第二变径连柱通过的第二通孔，第二通孔的两侧安装有第二圆连柱，第二圆连柱与第二圆连柱柄连接。

2.根据权利要求1所述的复杂环境下分布式光纤布设装置，其特征在于：所述第一变径台和第二变径台均为圆形，第二变径台的直径至少为第一变径台的1.5倍。

3.根据权利要求2所述的复杂环境下分布式光纤布设装置，其特征在于：所述第一连导台通过两侧的连柱固定在弯曲台上，连柱上安装有连柱帽。

4.根据权利要求3所述的复杂环境下分布式光纤布设装置，其特征在于：所述第二连导台底部对称的安装有具有磁力的吸力固定块。

5.一种权利要求4所述的复杂环境下分布式光纤布设装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，装配各组件，将弯曲台安装于待弯曲区域，将拟布设光纤穿过导引道，使用连柱将第一连导台固定于弯曲台上，使用连柱帽将连柱封闭；

第二步，转动第一圆连柱柄旋开第一圆连柱，推动第一变径连柱使得第一变径台与导引道充分接触，从而控制第一圆弧，调整初始端拟布设光纤的位置，待调整完毕之后，旋动第一旋拧圆柄带动第一松固塞内的第一推板移动，第一推板将拟布设光纤固定于导引道中后旋紧第一圆连柱柄，通过第一圆连柱将第一变径连柱固定；

第三步，将导引道中的拟布设光纤引至第二导引孔中，转动第二圆连柱柄，将第二圆连柱从第二变径连柱中旋开，前后推动第二变径连柱，以改变第二变径台的位置，待准备完成之后，转动第二圆连柱柄旋紧第二圆连柱，以固定第二变径连柱，旋动第二旋拧圆柄带动第二松固塞内的第二推板移动，第二推板将拟布设光纤固定于导引道中；

第四步，基于待布置尺寸，调整吸力固定块在弯曲台上的位置，待调整完成之后，利用吸力固定块将第二连导台固定于弯曲台，抽出第一半径缩尺和第二半径缩尺，基于第一半径缩尺和第二半径缩尺的交汇点，利用勾股定理计算弯曲半径长度。