CN107356208B - 一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器 - Google Patents

一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，属于混凝土材料技术领域。该传感器包括：支撑平板、安装在支撑平板两端的支架、安装在支架底面的底座；底座用于连接支架与混凝土；支架顶端具有轴母，轴母侧面具有水平的开口，开口处具有能够夹持支撑平板的夹具；支撑平板两端具有能够插入轴母的轴，支撑平板表面还贴装有用于测试支撑平板温度的温度传感器。本发明提供的基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，采用组合型的安装模式实现了最大限度重复利用、结构影响小、功能齐全，这样就可以对不同工况下的结构物进行健康监测，为优化测量精度，结构物病害控制提供保障。

Description

一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器
技术领域
本发明涉及一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，属于混凝土材料技术领域。
背景技术
分布式光纤传感器是目前对混凝土结构健康监测的新型监测方法。根据行业内基本公式，只需要测得测量时现场的温度变化和主应变方向与光纤布置方向的夹角，即可根据光纤的总频移量计算得到结构物的应变大小。且分布式光纤具有可分布式，精度高，方便布置等优势，越来越多的适用于大型结构健康监测的应用中。
但是，分布式光纤存在一系列难以克服的缺点。首先，分布式光纤的复用性很差，一般方法将光纤粘贴在结构物上之后，分布式光纤无法取下作进一步处理和使用。在结构物上粘贴的光纤清理特别麻烦，有可能造成大面积混凝土被环氧树脂覆盖难以清理，影响美观，且一旦光纤发生断裂，很难进行更换，且采用备用光纤很不经济。
其次，分布式光纤容易发生断裂，分布式光纤的抗拉强度很高，但抗弯性能不好，当光纤发生宏弯，内径小于20mm时极易发生断裂，且无法经历微弯锐角。因此，需要制作护套保护光纤纤芯。
最后，分布式光纤过于敏感，在分布式光纤的信号源中，始终有20%的误差无法分析，其中包括：温度的瞬时变化、结构物表面不平整、应变区域不均匀、光纤本身纯度、微裂缝的突然出现、结构变化不稳定等多方面因素。因此，需要设计一个载体来过滤多余的信息源。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种可替换、能够过滤信号且保护光纤的传感器。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，包括：支撑平板、安装在所述支撑平板两端的支架、安装在所述支架底面的底座；所述底座用于连接所述支架与混凝土；所述支架顶端具有轴母，所述轴母侧面具有水平的开口，所述开口处具有能够夹持所述支撑平板的夹具；所述支撑平板两端具有能够插入所述轴母的轴，所述支撑平板表面具有若干以所述支撑平板的中心呈中心对称布置的半圆形凹槽；所述支撑平板表面还贴装若干以所述支撑平板的中心呈中心对称布置的应变片；所述支撑平板表面还贴装有用于测试所述支撑平板温度的温度传感器；所述凹槽内安装光纤。
上述方案进一步的改进在于：所述底座上具有防滑锯齿、埋入插销或者通孔中的一种。
上述方案进一步的改进在于：所述凹槽的两侧具有刮刀导槽。
上述方案进一步的改进在于：所述底座、支架为钢制，所述支撑平板为铝制。
上述方案进一步的改进在于：所述凹槽半径不超过10mm。
本发明提供的基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，采用组合型的安装模式实现了最大限度重复利用、结构影响小、功能齐全，这样就可以对不同工况下的结构物进行健康监测，为优化测量精度，结构物病害控制提供保障。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个优选的实施例结构示意图。
图2是图1中支架结构示意图。
图3是图1中凹槽的剖面结构示意图。
图4是三种不同底座结构示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例提供的基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，如图1，包括：铝制的支撑平板1、安装在支撑平板1两端的钢制支架2、安装在支架2底面的钢制底座3；底座3用于连接支架2与混凝土试件。支撑平板1表面具有两条以支撑平板1的中心呈中心对称布置的半圆形凹槽4；支撑平板1表面还贴装9个以支撑平板的中心呈中心对称布置的应变片5；支撑平板1表面还贴装有用于测试支撑平板1温度的温度传感器6，凹槽4内布置光纤。
如图2，支架2顶端具有轴母2-3，轴母3-3侧面具有水平的开口，开口处具有能够夹持支撑平板1的夹具2-4；夹具2-4上具有固定用的孔2-5，支撑平板1两端具有能够插入轴母2-3的轴，同样的，支撑平板1上具有与夹具2-5上的孔对应的通孔。支架2的底面具有用于安装螺丝或螺栓等紧固件的安装孔2-2和限位底座3用的挡板2-1。
如图4，准备三种底座、三种底座上分别具有防滑锯齿、埋入插销或者通孔中的一种，这样，可以根据实际需求选择不同的底座。
本实施例具体的使用过程如下：
根据实际需求，选择如图4中三种底座中的一种即可，防滑锯齿适用于表面粘贴型，埋入插销适用于埋入型，通孔则适用于螺栓安装型。
根据混凝土试件的长度，选择合适尺寸的支撑平板1，进而确定支架2的间隔距离；将支架2底部涂抹胶水，将支架2与底座3粘贴牢固即可；将支撑平板1两端的轴自轴母2-3的侧面插入，而后通过夹具2-4上的孔2-5和支撑平板1上的通孔安装螺栓固定。这样，当混凝土试件发生应变时，该应变即通过底座3、支架2传递至支撑平板1。
接着，在凹槽4内倒入环氧树脂，待环氧树脂流淌均匀后，将光纤按入凹槽4内深度约一半的位置，约2小时后使用刮刀7沿着凹槽4平推，刮去溢出和不均匀的部分环氧树脂。
如图3，为了便于刮刀7操作，凹槽4的两侧具有刮刀导槽，本实施例中光纤9采用通用0.9mm聚氯乙烯紧套光纤，最终形成的环氧树脂层8，与支撑平板1表面齐平。
等待环氧树脂层8形成强度后，即可开始试验。一般来说，在本实施例中，凹槽4的半径不超过10mm。
本实施例中的温度传感器6为高灵敏温度计，用于收集支撑平板1的温度信息。
本实施例至少具有如下两种用法：
第一，用于监测试件的应变，应用本发明可以将复杂应变场的应变简化为支撑平板1的均匀拉伸，而且将获得准确的支撑平板应变值。
其监测到的布里渊散射频移量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与温度、应变的变化呈线性关系。由此，可以通过监测/>
Figure 472986DEST_PATH_IMAGE002
获得光纤各部位应变和温度的变化量。现有研究认为布里渊频移量/>
Figure 106093DEST_PATH_IMAGE003
应该符合如下关系式：
Figure 613298DEST_PATH_IMAGE004
；
其中
Figure 216317DEST_PATH_IMAGE005
为光纤应变量、/>
Figure 125367DEST_PATH_IMAGE006
为温度变化量、/>
Figure 663796DEST_PATH_IMAGE007
为温敏系数，/>
Figure 658297DEST_PATH_IMAGE008
为应变系数。
由于温度由温度计测量已知，温度系数和应变系数根据现有研究如下表：
温度系数 应变系数
Figure 314275DEST_PATH_IMAGE009
Figure 77832DEST_PATH_IMAGE010
因此，可以求出光纤应变量，即支撑平板1的应变量，即在支撑平板1范围内试件的平均应变量。
第二，应变补偿；该应用需要支撑平板1的长度在1500mm以上。
在分布式光纤监测非均匀应变研究中，监测对象常具备较复杂的应变场。而分布式光纤传感器的监测机理具有特殊性，分布式光纤取某点附近的应变场均值作为该点的监测应变。如0.5m处的应变值为0~1m处应变均值：
Figure 52741DEST_PATH_IMAGE011
=/>
Figure 268959DEST_PATH_IMAGE012
+/>
Figure 479360DEST_PATH_IMAGE013
+……/>
Figure 97423DEST_PATH_IMAGE014
+/>
Figure 243234DEST_PATH_IMAGE015
；
而由此可以得到通式：
Figure 946748DEST_PATH_IMAGE016
；
若将上式两两相减，可得式如下：
Figure 445993DEST_PATH_IMAGE017
；
上式形式为n个等式和2n个未知数，因此难以获得准确应变解。
若写通式如下：
Figure 184142DEST_PATH_IMAGE018
；
此通式可以表述结构物上所有的点的具体应变。
因此，上通式若知道初值，则所有沿途应变可以推算出来，令：
Figure 500854DEST_PATH_IMAGE019
……/>
Figure 19560DEST_PATH_IMAGE020
又：
Figure 243868DEST_PATH_IMAGE011
、/>
Figure 570944DEST_PATH_IMAGE021
、/>
Figure 58557DEST_PATH_IMAGE022
、 />
Figure 736663DEST_PATH_IMAGE023
已知
因此：
Figure 341826DEST_PATH_IMAGE024
……/>
Figure 788988DEST_PATH_IMAGE025
可知
得到结论：如果知道分布式光纤大于分辨率的连续初值，即可得知分布式光纤监测结构的真实应变值。
若将以上结论推广至通式，可得：如果知道分布式光纤任意位置大于分辨率的连续值，即可得知分布式光纤监测结构的真实应变值。结论反推也成立。
因此，本实施例中，增加9个应变片5，在测量的时候，如果所有应变片的测量值误差不超过50με，则认为支撑平板1受均匀拉伸。应按照测量得出的平均应变对上述理论进行求解，以达到优化分辨率的目的。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，其特征在于，包括：支撑平板、安装在所述支撑平板两端的支架、安装在所述支架底面的底座；所述底座用于连接所述支架与混凝土；所述支架顶端具有轴母，所述轴母侧面具有水平的开口，所述开口处具有能够夹持所述支撑平板的夹具；所述支撑平板两端具有能够插入所述轴母的轴，所述支撑平板表面具有若干以所述支撑平板的中心呈中心对称布置的半圆形凹槽；所述支撑平板表面还贴装若干以所述支撑平板的中心呈中心对称布置的应变片；所述支撑平板表面还贴装有用于测试所述支撑平板温度的温度传感器；所述凹槽内安装光纤；所述底座上具有防滑锯齿、埋入插销或者通孔中的一种；所述凹槽的两侧具有刮刀导槽。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，其特征在于：
所述底座、支架为钢制，所述支撑平板为铝制。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的混凝土结构健康监测传感器，其特征在于：
所述凹槽半径不超过10mm。
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