CN105910992B - 一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统及方法，该系统包括上固定台和下固定台，所述上固定台上安装有光纤校正实体和光纤框正台，所述光纤校正实体上设有光纤蝶形压制块，所述光纤框正台上安装有光纤螺纹柱，上固定台下方设有传感测桶和去干扰桶，所述传感测桶下方与左固纤横梁连接，左固纤横梁与左测桶底锥体连接，左测桶底锥体上铰接有左端口光源护体，所述去干扰桶的下端与右固纤横梁连接，右固纤横梁与右测桶底锥体连接，右测桶底锥体上铰接有右端口光源护体。本发明不但可以扑捉微小振动，也可以承载较大幅度的振动，大大提高了振动监测的范围，极好地满足了混凝土结构损伤动态诊断的需求。

Description

一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统
技术领域
本发明涉及一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统及方法，属于水利工程中动态诊断与探测领域。
背景技术
当前我国已经兴建了一大批大型及特大型水利工程，如三峡工程、240m高的二滩、231m高的乌江构皮滩和294.5m高的小湾、278m高的溪洛渡、289m高的白鹤滩和305m高的锦屏一级等，对于水工混凝土结构的安全而言，其直接关系到其社会经济效益的发挥和人民的生命财产安全，与其它类型工程结构相比，水工混凝土结构的一个显著特点是常常需要考虑建筑物和水体之间的相互作用，大型的水利工程很多都修建在深山峡谷处，泄洪单宽流量较大，泄洪的功率很高，会激励建筑物的振动，通过监测，获取建筑物的振动并进行分析，可识别建筑物的模态参数等反应结构整体和局部特性的特征参数，因此，建立大坝等水工混凝土结构的损伤状态的动态诊断系统及方法有着十分重要的理论和现实意义。
要实现对混凝土结构体的动态诊断，需要监测系统具有实时在线、无损、多尺度监测等特性，对于具有较大体积的大坝等水工混凝土结构体而言，常规的结构损伤动态诊断系统难以适用，在水工混凝土结构体遭受地震和水流脉动等外界不利工况下大坝等水工混凝土结构的损伤诊断将更加困难，且相关的理论研究还明显不足，基于振动的结构损伤诊断方法已经在许多领域得到广泛应用，但在水利土木工程中的应用仍处于模态参数的识别和损伤诊断的起步阶段，急切地需要研制一种能够高效辨识混凝土结构损伤的动态诊断系统及成套技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统及方法，其不但可以扑捉微小振动，也可以承载较大幅度的振动，大大提高了振动监测的范围，极好地满足了混凝土结构损伤动态诊断的需求，对当前水工混凝土结构动态健康监测探究提供了重要的支撑。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，包括上固定台和下固定台，所述上固定台内安装有光纤校正实体和光纤框正台，所述光纤校正实体上设有光纤蝶形压制块，所述光纤框正台上安装有光纤螺纹柱，上固定台下方设有一对平行设置的传感测桶和去干扰桶，所述传感测桶下方与左固纤横梁连接，左固纤横梁与左测桶底锥体连接，左测桶底锥体上铰接有左端口光源护体，所述去 干扰桶的下端与右固纤横梁连接，右固纤横梁与右测桶底锥体连接，右测桶底锥体上铰接有右端口光源护体，左测桶底锥体和右测桶底锥体位于下固定台上，左通道传感光纤依次穿过光纤蝶形压制块、光纤校正实体、传感测桶、左测桶底椎体到达左端口光源护体，右通道传感光纤依次穿过光纤框正台、去干扰桶、右侧桶底锥体到达右端口光源护体。
作为优选，所述光纤校正实体的正下方设有环状结构体，环状结构体的两侧分别设有左弹力体和右弹力体，左弹力体和右弹力体分别与左磁铁和右磁铁连接，左磁铁和右磁铁固定在上固定台上，左通道传感光纤绕过环状结构体穿入传感测桶。配合使用左磁铁和右磁铁放大该种微小振动，以更加及时地扑捉到各种振动信息，在发生较大的振动时，由于左通道传感光纤处于左弹力体与右弹力体之间环形结构体，两侧的左弹力体与右弹力体还可以起到降低较大振动的效果，其可以扑捉微小振动，也可承载较大幅度的振动。
作为优选，所述上固定台和下固定台上均安装有基板，基板上设有基板贴孔。
作为优选，所述上固定台的顶端设有光纤板弧盖，在光纤板弧盖内设有信息采集装置，光纤板弧盖可以保护左通道传感光纤和右通道传感光纤的出口端免受外界干扰。
作为优选，所述去干扰桶与右通道传感光纤之间填充有密实减振结构，可以减少右通道传感光纤遭受的外界振动干扰。
作为优选，所述密实减振结构为HDPE型号的高密度聚乙烯。
一种上述的基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统的方法，包括以下步骤：
第一步，备制一根强度较高的左通道传感光纤，将左通道传感光纤通过光纤蝶形压制块进行角度调整，后经过光纤校正实体进行竖直或者水平的调整，后环绕通过左弹力体与右弹力体之间的环形结构体，将左通道传感光纤通过传感测桶后，在左固纤横梁处对左通道传感光纤的尾端进行固定，通过左测桶底锥体导引左通道传感光纤到达左端口光源护体处，完成左通道传感光纤的配置；
第二步，备制另一根与左通道传感光纤的长度一样、参数一样的右通道传感光纤，通过光纤螺纹柱与光纤框正台的配合使用，完成右通道传感光纤与左通道传感光纤的平行布设，后将右通道传感光纤穿过去干扰桶，且将右通道传感光纤与去干扰桶之间进行密实结构的填充，通过右测桶底锥体导引右通道传感光纤到达右端口光源护体处，完成右通道传感光纤的配置；
第三步，关闭左端口光源护体和右端口光源护体，闭合光纤板弧盖，通过基板贴孔将混凝土结构损伤动态诊断系统固定于待测结构体上，开启左端口光源护体和右端口光源护体，并在光纤板弧盖处采集右通道传感光纤与左通道传感光纤的光信息，并进行校正处理；
第四步，当待测结构体在遭受外界振动荷载或者其他荷载的损伤时，左通道传感光纤中的光信息将发生变化，此时，通过构建左通道传感光纤与右通道传感光纤之间的光信息差值与结构损伤指标的关系式，基于实时获取的光信息数值来动态反映结构损伤指标数值，绘制时程曲线，进而实现混凝土结构损伤的动态诊断。
在本发明中，突破传统意义上的传感设备，重点针对传感监测技术向着智能化、数字化、集成化和小型化的趋势发展，融合电磁学、力学等原理，搭建左通道传感光纤与右通道传感光纤，其不但可以扑捉微小振动，也可以承载较大幅度的振动，大大提高了振动监测的范围，极好地满足了混凝土结构损伤动态诊断的需求，对当前水工混凝土结构动态健康监测探究提供了重要的支撑。
在本发明中，所述的左通道传感光纤与右通道传感光纤相互独立、平行、同步地布设于传感测桶与去干扰桶内，且左通道传感光纤处于两端固定、中间自由的状态，右通道传感光纤与去干扰桶密切契合，在外界振动荷载作用下，去干扰桶与右通道传感光纤之间的密实减振结构可以减少右通道传感光纤遭受的外界振动干扰。在左固纤横梁中是有传感光纤通道，其直径会稍小于左通道传感光纤直径，左通道传感光纤在穿过这个通道时会被卡住。
有益效果：本发明的一种基于分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统，结构完整，可以实现流程化、自动化应用，在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有较大优势；本发明的基于分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统的诊断方法，基于左通道传感光纤与右通道传感光纤中自行形成的传感光信息，通过构建混凝土结构损伤动态诊断系统中的传感光纤的光信息变化与混凝土结构损伤程度的关系，及时反映混凝土结构损伤性态，融合电磁学、力学等原理，在动态荷载情况下，左磁铁和右磁铁不但可以放大微小振动，两侧的左弹力体与右弹力体还可以起到降低较大振动的效果，其不但可以扑捉微小振动，也可以承载较大幅度的振动，大大提高了振动监测的范围，极好地满足了实际混凝土结构损伤动态诊断的需求，极大提升了该技术在实际工程中的应用和推广能力。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为图1的左视图；
图3为图1中左弹力体和右弹力体的结构示意图；
其中：1-左通道传感光纤；2-右通道传感光纤；3-光纤板弧盖；4-光纤蝶形压制块；5-光纤校正实体；6-上固定台；7-左磁铁；8-右磁铁；9-左弹力体；10-右弹力体；11-传感测桶；12-左固纤横梁；13-左测桶底锥体；14-左端口光源护体；15-基板；16-光纤螺纹柱；17-光纤框正台；18-基板贴孔；20-去干扰桶；21-右固纤横梁；22-右测桶底锥体；23-右端口光源护体；24-下固定台。
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3所示，本发明的基于分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统，包括振动传感模块、去干扰模块和辅助模块，振动传感模块固定在上固定台6上，振动传感模块中SFS50/125G型号的左通道传感光纤1分别与光纤蝶形压制块4和正方形外形的光纤校正实体5相连接，光纤蝶形压制块4主要作用是起到平衡与固定，角度调节是其可以绕着光纤校正实体转动，移动光纤校正实体5来实现光纤校正实体的移动，SFS50/125G型左通道传感光纤1穿出正方形外形的光纤校正实体5与环状结构体相连，环状结构体分别与直径为0.5cm的左弹力体9和直径为0.5cm的右弹力体10相接，且左弹力体9固定于长方形外形的左磁铁7端部，右弹力体10固定于长方形外形的右磁铁8端部，SFS50/125G型左通道传感光纤1通过长度为20cm、直径为2cm的传感测桶11与直径为2cm的左固纤横梁12相连，左固纤横梁12下接截面形状为梯形的左测桶底锥体13，后SFS50/125G型左通道传感光纤1与内配置有HL2000型微型卤素光源的左端口光源护体14相接，左测桶底锥体13位于下固定台24上。
去干扰模块中SFS50/125G型右通道传感光纤2通过直径为2cm的光纤螺纹柱16和外形为正方形的光纤框正台17与直径为2cm、长度为20cm的去干扰桶20相接，去干扰功能主要体现的是该段传感光纤两端是固定死的，不受外界荷载影响，是与传感测桶中的传感光纤形成对比，具有去干扰功能，去干扰桶20的底端固定着直径为2cm的右固纤横梁21，右固纤横梁21连接梯形布设的右测桶底锥体22，SFS50/125G型右通道传感光纤2在底端处与内配置有HL2000型微型卤素光源的右端口光源护体23相连接，右测桶底锥体22位于下固定台24上。
辅助模块中长方体形式的基板15上开设有直径为0.5cm的基板贴孔18，直径为0.5cm的基板贴孔18将分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统的上半部分固定于待测某混凝土重力坝的一个典型坝段上，长方体形式的基板15上布设有直径为0.5cm的基板贴孔18，基板贴孔18将分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统的下半部分固定于待测某混凝土重力坝的一个典型坝段上。
本发明中，SFS50/125G型左通道传感光纤1与SFS50/125G型右通道传感光纤2独立、平行、同步地布设于传感测桶11与去干扰桶20中，左固纤横梁12与左测桶底锥 体13相互连接，保证SFS50/125G型左通道传感光纤在传感测桶中初始状态下的竖直或水平状态，光纤板弧盖内配置有信息采集装置，信息采集装置为C11708MA型的微型光信息采集器与磁卡数据采集器，通过光纤板弧盖将左通道传感光纤和右通道传感光纤汇集到基板的顶端，并且光纤板弧盖可以保护左通道传感光纤和右通道传感光纤的出口端免受外界干扰。
一种如上述的基于分布式传感光纤的混凝土结构损伤动态诊断系统的诊断方法，包括以下步骤：
(1)构建及配备振动传感模块、去干扰模块
通过光纤蝶形压制块4将SFS50/125G型左通道传感光纤1的角度调整为30°，后经过光纤校正实体5进行水平向的调整，后将SFS50/125G型左通道传感光纤1绕着左弹力体与右弹力体之间的环形结构体进行布设，后将SFS50/125G型左通道传感光纤1穿过传感测桶，在直径为2cm的左固纤横梁处对左通道传感光纤的尾端进行固定，进而将SFS50/125G型左通道传感光纤1与内配置有HL2000型微型卤素光源的左端口光源护体14相连接，后备制另一根SFS50/125G型长度为50cm的右通道传感光纤，不断地调整光纤螺纹柱16与光纤框正台17，使得右通道传感光纤2能保持与左通道传感光纤1的平行布设，后将右通道传感光纤2依次穿过去干扰桶20、右测桶底锥体22和右端口光源护体23，在右通道传感光纤22与去干扰桶20之间填充HDPE型号的高密度聚乙烯，导引右通道传感光纤2到达右端口光源护体23处；
(2)闭合各部件及检查各线路的连通性
关闭左端口光源护体14和右端口光源护体23，闭合光纤板弧盖3，打开左端口光源护体14和右端口光源护体23中的HL2000型微型卤素光源，并在光纤板弧盖处采集右通道传感光纤2与左通道传感光纤1的光信息，查看SFS50/125G型左通道传感光纤1和SFS50/125G型右通道传感光纤2的连通性，并进行校正处理；
(3)安装混凝土结构损伤动态诊断系统并进行初始探测
确定待监测的混凝土重力坝的典型坝段的监测区域，然后明确上述所制作的动态诊断装置的使用个数，在确定监测区域之后，使用固定装置通过基板15的基板贴孔18和15基板的基板贴孔18将混凝土结构损伤动态诊断系统进行有效地安装，并且打开光纤板弧盖3中的C11708MA型的微型光信息采集器与磁卡数据采集器及左端口光源护体14和右端口光源护体23中的HL2000型微型卤素光源，完成初始数值的探测；
(4)构建光功率值差值与结构损伤指标的关系式实现动态探测
待该混凝土重力坝的典型坝段的监测区域遭受外界水荷载或地震等其他振动荷载或者损伤时，左通道传感光纤1中的光功率数值将发生变化，进而可以构建左通道传感光纤1与右通道传感光纤2之间的光功率值差值与结构损伤指标的关系式，从而，绘制实时获取的光信息数值与结构损伤指标数值之间的时程曲线，完成实时混凝土重力坝的典型坝段的监测区域的结构损伤的诊断。
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)

1.一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，包括上固定台和下固定台，所述上固定台内安装有光纤校正实体和光纤框正台，所述光纤校正实体上设有光纤蝶形压制块，所述光纤框正台上安装有光纤螺纹柱，上固定台下方设有一对平行设置的传感测桶和去干扰桶，所述传感测桶下方与左固纤横梁连接，左固纤横梁与左测桶底锥体连接，左测桶底锥体上铰接有左端口光源护体，所述去干扰桶的下端与右固纤横梁连接，右固纤横梁与右测桶底锥体连接，右测桶底锥体上铰接有右端口光源护体，左测桶底锥体和右测桶底锥体位于下固定台上，左通道传感光纤依次穿过光纤蝶形压制块、光纤校正实体、传感测桶、左测桶底锥体到达左端口光源护体，右通道传感光纤依次穿过光纤框正台、去干扰桶、右侧桶底锥体到达右端口光源护体；
其特征在于：所述光纤校正实体的正下方设有环状结构体，环状结构体的两侧分别设有左弹力体和右弹力体，左弹力体和右弹力体分别与左磁铁和右磁铁连接，左磁铁和右磁铁固定在上固定台上，左通道传感光纤绕过环状结构体穿入传感测桶。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，其特征在于：所述上固定台和下固定台上均安装有基板，基板上设有基板贴孔。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，其特征在于：所述上固定台的顶端设有光纤板弧盖，在光纤板弧盖内设有信息采集装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，其特征在于：所述去干扰桶与右通道传感光纤之间填充有密实减振结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式传感光纤的混凝土损伤动态诊断系统，其特征在于：所述密实减振结构为HDPE型号的高密度聚乙烯。
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