CN106197739A - 一种去温度干扰的传感光纤监测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去温度干扰的传感光纤监测装置及使用方法，包括真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块，真空腔模块与复合材料平槽模块通过注胶方槽连接，端口固纤模块与真空腔模块通过四角塞体相连接，传感光纤依次穿过复合材料平槽模块、真空腔模块和端口固纤模块，所述真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块均固定在去温底台上。本发明构建了温度补偿用复合材料平槽模块，提出了无温度干扰的真空腔模块，并将真空腔模块和复合材料平槽模块进行组装，研制了多模块互校正的传感光纤监测装置，其通过多层级的互校正，达到了高效去温度干扰的效果，可为真实监测实际结构的应力应变性态提供重要的保障。

Description

一种去温度干扰的传感光纤监测装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种去温度干扰的传感光纤监测装置及使用方法，属于水工程安全健康监测领域。

背景技术

光纤传感技术是近几十年所发展起来的一种新型的传感技术，它以光波为传感信号，以光纤为传输载体，感知和探测外界被测信号，在传感方式、传感原理以及信号的探测与处理等方面都具有传统电学传感器所没有的优势，与传统的传感元件相比，光纤传感技术具有抗电磁干扰、抗化学腐蚀、抗辐射性能好、且本身不带电、体积小、质量轻、容易弯曲等优势。

当传感光纤在受到外界应力、温度等环境因素作用时，光纤中传输的光波极容易受到这些外在场或者量的调制，进而会发生光波表征参量的变化，比如光强度、相位、频率、偏振态等的变化，通过监测这些信息的变化可以获取外界被测参量的信息，但是这也给传感光纤的监测带来了巨大困扰。因为若通过光纤光波表征参量的变化无法确定外界是何种因素进行的干扰和影响，那就不能很好地对各个环境因素进行单一的分析，亦无法辨识各影响因素所占的比重，也不能很好地有针对性地进行评估，因此，需要考虑建立一种事前滤去某些外部因素的仪器设备。

最常见的即为应力与温度的互干扰影响，在很多情况下仅需考虑单一应力情况，但实际中温度影响多极为明显。当前诸多去温度干扰或温度补偿的手段极为不准确，且没有较为合理的方案，方法过于粗简，因此，研制一种可去温度干扰的传感光纤监测装置显得极为重要。

在实际工作环境下单纯获取结构体的应力应变数值时，较难避免结构体外界与内部温度的影响。对于待测结构体而言，外界多复杂因素的干扰导致待测结构体表征出多种复杂的外部信息，且该外部信息为待测结构体内部信息的融合体，根据所提取出来的外部信息，即使使用了很多先进的数据优化算法，亦较难准确地分离与辨识内内隐在结构体内反映结构体的各种信息，这就需要从监测装置出发，研究一种可以去除某些干扰因素的监测仪器设备。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种去温度干扰的传感光纤监测装置及使用方法，从监测层面上去除温度干扰影响，即融合构建了温度补偿用复合材料平槽模块，监测精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种去温度干扰的传感光纤监测装置，包括真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块，真空腔模块与复合材料平槽模块连接，端口固纤模块与真空腔模块通过四角塞体相连接，传感光纤依次穿过复合材料平槽模块、真空腔模块和端口固纤模块，所述真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块均固定在安装管内，安装管位于去温底台上；

所述复合材料平槽模块包括特种复合材料制成的圆柱体，圆柱体中心设有传感光纤穿过的通孔，在圆柱体顶部设有压盖，压盖中心设有对凹形注胶槽；

所述真空腔模块包含真空腔和弹性紧固外环，所述真空腔的一端与盖板连接，盖板通过胶水固定在安装管内，另一端与弹性紧固外环连接，所述弹性紧固外环中心设有圆孔，圆孔内设有硬质护纤外层，弹性紧固外环的底端设有圆锥孔，圆锥孔内安装有四角塞体，四角塞体延伸有圆柱凸台，圆柱凸台位于硬质护纤外层内，圆柱凸台内穿过传感光纤，真空腔与位于安装管外的抽真空装置连接，传感光纤依次穿过盖板、真空腔和四角塞体；

所述端口固纤模块包括左弧压体和右弧压体，所述左弧压体和右弧压体的一端分别与弹性紧固外环的底端铰接，左弧压体和右弧压体的另一端分别延伸有凸台，凸台上设有连接装置，所述左弧压体和右弧压体的弧形面相对设置，左弧压体和右弧压体形成弧压空腔，弧压空腔中穿过传感光纤。

作为优选，所述抽真空装置包含真空泵和气阀，真空腔通过管道与气阀连接，气阀上安装有真空泵。

作为优选，所述管道上安装有真空度传感器。

作为优选，所述连接装置包含框横连轴，两个凸台上均设有通孔，框横连轴穿过两个通孔后通过松紧控帽锁紧。

作为优选，所述圆柱体的热膨胀系数和圆柱体中传感光纤的热膨胀系数之差与该对应段传感光纤应变值的乘积的数值不超过1.03倍该对应段传感光纤的温度系数数值。

作为优选，所述去温底台的两侧均设有卡槽。

一种上述的去温度干扰的传感光纤监测装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步，配置一根用于分布式监测的传感光纤，首先将传感光纤依次通过端口固纤模块、真空腔模块、复合材料平槽模块，后将引出的传感光纤引至第二个去温度干扰的传感光纤监测装置中，并且依次经过复合材料平槽模块、真空腔模块和端口固纤模块；

第二步，通过框横连轴将两个凸台串联到框横连轴上，转动框横连轴上的松紧控帽，控制松紧控帽向内转动，通过左弧压体和右弧压体中间凸起部位将传感光纤固定到弧压空腔中，以形成振弦的形式；

第三步，由内到外配置硬质护纤外层、弹性紧固外环，将盖板通过胶水固定在安装管内形成密闭的空腔，通过注胶也将盖板上的传感光纤进行固定，此时该真空腔段处于外界无温度干扰的状态，其获取的应力应变数值为去温度影响之后的数值，将其记录为其第一次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

第四步，在盖板上放置圆柱体，且该圆柱体的特种复合材料的热膨胀系数和特种复合材料中传感光纤的热膨胀系数之差与该对应段传感光纤应变值的乘积不超过1.03倍的该对应段传感光纤的温度系数，在对凹形注胶槽中注入胶水，使得通过该处的传感光纤被固定，此时该圆柱体内的传感光纤所获取的外界荷载所产生的应力应变数值为去温度影响之后的数值，将其记录为其第二次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

第五步，求取真空腔与圆柱体内的传感光纤所监测到外界荷载所产生的应变数值平均值，重复第三步与第四步，得出若干组应变数值平均值，应变数值平均值的结果符合正态分布的规律，将处于最大概率处所对应的数值，作为最终监测结果。

本发明构建了温度补偿用复合材料平槽模块，首创提出了无温度干扰的真空腔模块，并将真空腔模块和复合材料平槽模块进行组装，研制了多模块互校正的传感光纤监测装置，其通过多层级的互校正，达到了高效去温度干扰的效果，可为真实监测实际结构的应力应变性态提供重要的保障。

传感光纤监测布设形式有多样，有点式监测，有分布式监测，本处是针对的分布式监测，需要大范围布设传感光纤，在需要布设的传感光纤中就需要很多承载传感光纤的本发明装置，因此，需要连接多个本装置，可以放在混凝土表面也可放在内部。

有益效果：本发明的一种去温度干扰的传感光纤监测装置，突破传统意义上去温度干扰的思路，融合构建了温度补偿用复合材料平槽模块，首创提出了无温度干扰真空腔模块，创造性地将真空腔模块和复合材料平槽模块进行集成应用，研制了基于多模块互校正去温度干扰技术的传感光纤监测装置，其从监测层面上去除传感光纤温度干扰的影响，可较为真实地反映待测结构体内部应力应变性态，且结构简单、布设方便、操作灵活，极大提升了分布式传感光纤技术在实际工程中的应用和推广能力，具有极高的实际工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为图1的剖视图。

其中：200-左弧压尖柄、201-右弧压尖柄、202-松紧控帽、203-框横连轴、204-左弧压体、205-右弧压体、206-传感光纤、207-弧压空腔、208-四角塞体、209-硬质护纤外层、210-右连接卡槽、212-弹性紧固外环、214-气阀、215-真空泵、216-真空腔、217-盖板、218-压盖、219-圆柱体、220-对凹形注胶槽、221-左连接卡槽、222-卡槽固定栓，223-去温底台。

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和图2所示，本发明的一种去温度干扰的传感光纤监测装置，包括真空腔模块、复合材料平槽模块、端口固纤模块，真空腔模块与复合材料平槽模块通过边长为2cm的盖板217连接，端口固纤模块与真空腔模块通过各顶点间长度2cm的四角塞体相连接，复合材料平槽模块通过长度为30cm、高度为5cm、宽度20cm的去温底台与端口固纤模块相连接，相邻的两个去温度干扰的传感光纤监测装置通过长度30cm、宽度4cm的左连接卡槽221、长度30cm、宽度4cm的右连接卡槽210和高度为6cm、直径为1cm的卡槽固定栓222进行连接。

真空腔模块中从内到外依次覆盖在GJJV型号紧套传感光纤206外面的分别为TPU型硬质护纤外层209、直径5cm的TPEE型的弹性紧固外环212，TPU型硬质护纤外层209主要是将GJJV型号紧套传感光纤206有效地固定在长度10cm、直径5cm的真空腔模块中，TPEE型弹性紧固外环212的作用主要是保护硬质护纤外层209，TPEE型的弹性紧固外环212与盖板217形成一个空腔结构，即为长度10cm、直径5cm的真空腔216。真空腔216与安装管外的抽真空装置连接，抽真空装置包含真空泵215和气阀214，真空腔216通过管道与气阀214连接，气阀上安装有真空泵215，所述管道上安装有真空度传感器。通过真空传感器检测真空腔216内的真空度，当真空腔216内的真空度达到要求时，真空泵215停止工作，关闭气阀。

复合材料平槽模块中特种复合材料制成的圆柱体219的材质取为特种性能树脂基复合材料，在特种性能树脂基复合材料材质的圆柱体219的末端布设有圆弧形的对凹形注胶槽220，在本实例中，安装管中内嵌有特种性能树脂基复合材料的特种复合材料219，且规定特种性能树脂基复合材料的热膨胀系数与特种性能树脂基复合材料中GJJV型号紧套传感光纤206的热膨胀系数之差与该对应段GJJV型号紧套传感光纤206应变值的乘积等于该对应段GJJV型号紧套传感光纤206的温度系数。

端口固纤模块中左弧压体204和右弧压体205均为硬质材料的结构体，其弧度为π/3，左弧压体204和右弧压体205为中间凸起而两端下凹的结构，两个凸台为左弧压尖柄200和右弧压尖柄201，左弧压尖柄200和右弧压尖柄201为长度为2cm、宽度为1cm的长方体，且框横连轴203为直径2cm、长度为8cm的圆柱形结构形式，松紧控帽202的内径为2cm、外径为2.5cm，内径2cm、外径2.5cm的松紧控帽202可以控制直径2cm、长度8cm的框横连轴203上左弧压尖柄200和右弧压尖柄201的运动，进而，通过左弧压体204和右弧压体205的凸起结构将GJJV型号紧套传感光纤206固定在弧压空腔中。

一种如上述的去温度干扰的传感光纤监测装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)确定装置的个数及传感光纤的长度

本水工混凝土建筑表面待监测的区域为100m×100m的平面区域，本装置的使用状态如图1所示，在平面区域平躺放置，计划使用500m长的传感光纤，且基于当时结构体以前的监测情况以及施工状态，将确定在500m的传感光纤中使用10个本装置，为了更好地描述本装置的运行细节，优先选用其中一个装置进行细致论述；

(2)配置装置中各个模块

首先，根据本发明装置的基本结构，将真空腔模块、复合材料平槽模块、端口固纤模块进行装配，并且准备一定数量的GJJV型号紧套传感光纤206，基本配置原则是先端口固纤模块，其次真空腔模块，后复合材料平槽模块，而对于每一个模块而言，主要采用从下到上，从左到右的原则进行配置；

(3)穿引传感光纤且进行初始固定

将GJJV型号紧套传感光纤206依次通过端口固纤模块、真空腔模块、复合材料平槽模块中的各个部件，转动直径2cm、长度8cm的框横连轴203将长度为2cm、宽度为1cm的左弧压尖柄200和长度为2cm、宽度为1cm的右弧压尖柄201串联到直径2cm、长度8cm的框横连轴203上，转动框横连轴203上的内径2cm、外径2.5cm的松紧控帽202，控制松紧控帽202向内转动，通过弧度为π/3的左弧压体204和弧度为π/3的右弧压体205中间凸起的部位将GJJV型号紧套传感光纤206固定到弧压空腔207中；

(4)获取第一次无温度干扰传感光纤监测数值

通过胶水将盖板固定在安装管内，并在盖板上传感光纤穿过的孔内注入胶水，形成密闭的空腔，此时该真空腔段GJJV型号紧套传感光纤206处于外界无温度干扰的状态，将其记录为其第一次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

(5)获取第二次无温度干扰传感光纤监测数值

安装管中的特种性能树脂基复合材料制成的圆柱体219的热膨胀系数与特种性能树脂基复合材料的圆柱体219中GJJV型号紧套传感光纤206的热膨胀系数之差与该对应段GJJV型号紧套传感光纤206应变值的乘积等于该对应段GJJV型号紧套传感光纤206的温度系数，并在圆弧形的对凹形注胶槽中注入快凝胶水，使得真空腔216为全真空或者准真空状态，且通过该处的GJJV型号紧套传感光纤206也被固定，此时该圆柱体219的GJJV型号紧套传感光纤206所获取的外界荷载所产生的应变数值为去温度影响之后的数值，将其记录为其第二次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

(6)获取最终无温度干扰传感光纤监测数值

求取真空腔与圆柱体219的传感光纤所监测到外界荷载所产生的应变数值平均值，不断的重复第(4)步与第(5)步密封其它本装置，真空腔216与圆柱体219的GJJV型号紧套传感光纤206所监测到外界荷载所产生的应变数值平均值的结果符合正态分布的规律，将处于最大概率所对应的数值，作为最终监测结果。

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)

1.一种去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：包括真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块，真空腔模块与复合材料平槽模块连接，端口固纤模块与真空腔模块通过四角塞体相连接，传感光纤依次穿过复合材料平槽模块、真空腔模块和端口固纤模块，所述真空腔模块、复合材料平槽模块和端口固纤模块均固定在安装管内，安装管位于去温底台上；

所述复合材料平槽模块包括特种复合材料制成的圆柱体，圆柱体中心设有传感光纤穿过的通孔，在圆柱体顶部设有压盖，压盖中心设有对凹形注胶槽；

所述真空腔模块包含真空腔和弹性紧固外环，所述真空腔的一端与盖板连接，盖板通过胶水固定在安装管内，另一端与弹性紧固外环连接，所述弹性紧固外环中心设有圆孔，圆孔内设有硬质护纤外层，弹性紧固外环的底端设有圆锥孔，圆锥孔内安装有四角塞体，四角塞体延伸有圆柱凸台，圆柱凸台位于硬质护纤外层内，圆柱凸台内穿过传感光纤，真空腔与位于安装管外的抽真空装置连接，传感光纤依次穿过盖板、真空腔和四角塞体；

所述端口固纤模块包括左弧压体和右弧压体，所述左弧压体和右弧压体的一端分别与弹性紧固外环的底端铰接，左弧压体和右弧压体的另一端分别延伸有凸台，凸台上设有连接装置，所述左弧压体和右弧压体的弧形面相对设置，左弧压体和右弧压体形成弧压空腔，弧压空腔中穿过传感光纤。

2.根据权利要求1所述的去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：所述抽真空装置包含真空泵和气阀，真空腔通过管道与气阀连接，气阀上安装有真空泵。

3.根据权利要求2所述的去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：所述管道上安装有真空度传感器。

4.根据权利要求1所述的去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：所述连接装置包含框横连轴，两个凸台上均设有通孔，框横连轴穿过两个通孔后通过松紧控帽锁紧。

5.根据权利要求1所述的去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：所述圆柱体的热膨胀系数和圆柱体中传感光纤的热膨胀系数之差与该对应段传感光纤应变值的乘积的数值不超过1.03倍该对应段传感光纤的温度系数数值。

6.根据权利要求1所述的去温度干扰的传感光纤监测装置，其特征在于：所述去温底台的两侧均设有卡槽。

7.一种如权利要求1至6任一项所述的去温度干扰的传感光纤监测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，配置一根用于分布式监测的传感光纤，首先将传感光纤依次通过端口固纤模块、真空腔模块、复合材料平槽模块，后将引出的传感光纤引至第二个去温度干扰的传感光纤监测装置中，并且依次经过复合材料平槽模块、真空腔模块和端口固纤模块；

第二步，通过框横连轴将两个凸台串联到框横连轴上，转动框横连轴上的松紧控帽，控制松紧控帽向内转动，通过左弧压体和右弧压体中间凸起部位将传感光纤固定到弧压空腔中，以形成振弦的形式；

第三步，由内到外配置硬质护纤外层、弹性紧固外环，将盖板通过胶水固定在安装管内形成密闭的空腔，通过注胶也将盖板上的传感光纤进行固定，此时该真空腔段处于外界无温度干扰的状态，其获取的应力应变数值为去温度影响之后的数值，将其记录为其第一次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

第四步，在盖板上放置圆柱体，且该圆柱体的特种复合材料的热膨胀系数和特种复合材料中传感光纤的热膨胀系数之差与该对应段传感光纤应变值的乘积不超过1.03倍的该对应段传感光纤的温度系数，在对凹形注胶槽中注入胶水，使得通过该处的传感光纤被固定，此时该圆柱体内的传感光纤所获取的外界荷载所产生的应力应变数值为去温度影响之后的数值，将其记录为其第二次无温度干扰传感光纤监测应变数值；

第五步，求取真空腔与圆柱体内的传感光纤所监测到外界荷载所产生的应变数值平均值，重复第三步与第四步，得出若干组应变数值平均值，应变数值平均值的结果符合正态分布的规律，将处于最大概率处所对应的数值，作为最终监测结果。