CN108442725A - 一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置及方法 - Google Patents

一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置及方法，装置包括碳纤维布、多芯光纤、多芯光纤耦合器、光开关和分布式光纤布里渊传感系统，所述多芯光纤在碳纤维布编制过程中被编织在其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布，将多芯光纤复合编制碳纤维布浸渍胶粘结于土木结构的表面进行加固，将分布式光纤布里渊传感系统、光开关、多芯光纤耦合器及多芯光纤依次相连，通过光开关切换，测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构发生变化时，多芯光纤发生形变，从而解调出土木结构的应力变化和弯曲变化以及温度变化。本发明在对土木结构加固的同时，还可检测加固状态，并可同时实现多种参数监控，监控准确，成本低廉。

Description

一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装 置及方法
技术领域
本发明属于土木工程结构领域，涉及一种土木结构加固检测技术，具体涉及一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置及方法。
背景技术
土木工程结构服役时间长，在使用过程中，由于材料老化、荷载增加、结构部分损坏、使用功能改变、设计与施工缺陷等原因，导致原有结构的承载能力满足不了新的要求。如果全部推倒重来，必然加重社会负担，造成资源浪费和环境污染，因此目前国内外针对此种情形多是采用加固或修复的手段。利用碳纤维片材(CFRP)加固修复混凝土结构既有效又节省费用，在工程加固领域被广泛采用。
与此同时，为保证土木工程长期可靠的服役，对重大工程或关键构件建立长效地检测监测机制成为了大势所趋。目前结构健康监测主要利用应变片、位移计等点式传感装置，可以实现关键点的精确测量。但是，这种以点代面的监测方式不能准确获得整个土木结构的健康信息，因而可能埋下安全隐患。相对的，分布式光纤传感器可以沿着光纤链路实现分布式监测，其测试距离可以轻松达到数十公里以上，因此非常适合大型结构。专利【一种多芯光纤的分布式传感方法(公开号CN103438927B)】提出一种基于多芯光纤的分布式光纤传感技术，除了具有普通的分布式光纤传感技术的优点，能实现分布式温度、应力测量能力，同时具有形变监测的能力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种土木工程结构加固与状态监测复合技术，利用多芯光纤与碳纤维布在物理特性和尺寸上较为类似的特点，考虑在碳纤维布的编织过程中将多芯分布式光纤有效的结合起来，在实现结构加固的同时，又可以通过预先复合的传感器对被加固结构实现健康状态监测，因而能够提供土木结构更加全面的状态信息，为土木结构的长期健康服役提供有效的保障。该技术可以拓展碳纤维布的功能，同时解决了传感器铺设难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括：
一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置，其特征在于：包括碳纤维布、多芯光纤、多芯光纤耦合器、光开关和分布式光纤布里渊传感系统，所述多芯光纤在碳纤维布编制过程中被编织在其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布，多芯光纤复合编制碳纤维布通过浸渍胶粘结于土木结构表面的方式进行加固，所述分布式光纤布里渊传感系统与光开关相连，光开关与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器与多芯光纤相连，通过光开关切换，分布式光纤布里渊传感系统测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构发生变化时，多芯光纤发生形变，从而通过微处理器或计算机解调出土木结构的应力变化和弯曲变化以及温度变化。
作为改进，所述光开关的通道数大于或等于多芯光纤的纤芯数。
作为改进，所述多芯光纤复合编制碳纤维布采用树脂浸渍胶粘结于土木结构的表面。
作为改进，所述多芯光纤的纤芯数至少三个，以实现弯曲、纵向应变和温度的区分测量。
作为改进，所述分布式光纤布里渊传感系统是一种可以测量光纤各点布里渊频移的装置，其为布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪。
一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、首先在碳纤维布编制过程中将多芯光纤编织其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布；
步骤二、将多芯光纤复合编制碳纤维布浸渍胶粘结于土木结构的表面进行加固；
步骤三、将分布式光纤布里渊传感系统与光开关相连，光开关与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器与多芯光纤相连；
步骤四、通过光开关切换，分布式光纤布里渊传感系统测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构发生变化时，多芯光纤发生形变，从而通过微处理器或计算机解调出土木结构的应力变化、弯曲变化以及温度变化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有的碳纤维布只能实现对土木结构的加固，而不具有监测功能。本发明将传感光纤集成在碳纤维布之内，拓展了碳纤布的功能。
(2)碳纤维布和多芯光纤的复合材料，只需要一次施工即可实现加固和监测的目标，可以降低施工成本，并且不对土木结构造成二次伤害。
(3)传统传感设备都是点式传感器，本发明基于分布式布里渊传感技术，可监测土木结构每一点的变化。
(4)由于光纤是通过粘结方式固定在土木结构表面的，因此大大增加了光纤对结构弯曲的灵敏度。
(5)本发明填补现有土木结构加固和监测复合技术的空缺，该系统具有施工方便，加固性能好，能监测结构弯曲、应变以及环境温度的优点。
附图说明
图1为本发明结构加固与状态监测装置示意图。
图2为本发明多芯光纤与碳纤维布混编复合集成示意图。
图3为本发明结构加固与状态监测装置各部分连接关系示意图。
图中：1-分布式光纤布里渊传感系统，2-光开关，3-多芯光纤耦合器，4-碳纤维布，5-多芯光纤，6-树脂浸渍胶，7-土木结构。
具体实施方式
参见图1，一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置，包括碳纤维布4、多芯光纤5、多芯光纤耦合器3、光开关2和分布式光纤布里渊传感系统1，所述多芯光纤5在碳纤维布4编制过程中被编织在其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布，多芯光纤复合编制碳纤维布通过浸渍胶粘结于土木结构7表面的方式进行加固，所述分布式光纤布里渊传感系统1与光开关2相连，光开关2与多芯光纤耦合器3相连，多芯光纤耦合器3与多芯光纤5相连，通过光开关2切换，分布式光纤布里渊传感系统1测量多芯光纤5中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构7发生变化时，多芯光纤5发生形变，从而通过微处理器或计算机解调出土木结构7的应力变化和弯曲变化以及温度变化。
分布式光纤布里渊传感系统1与光开关2一端相连，光开关2另一端与多芯光纤耦合器3的单模光纤端一一相连，多芯光纤耦合器3的多芯光纤端与多芯光纤5熔接，多芯光纤5与碳纤维布4在编织过程中编织在一起形成多芯光纤复合编制碳纤维布，多芯光纤复合编制碳纤维布利用配套树脂浸渍胶6粘结于土木结构7的表面，其中碳纤维布4具有高强度、高韧性特点，实现结构加固；多芯光纤5为包层内具有两个以上纤芯的特殊光纤，作为传感光纤；碳纤维布4与多芯光纤5编织成复合纤维布，同时具有加固与状态监测功能。
通过光开关2切换，分布式光纤布里渊传感系统1测量多芯光纤5中各个芯的布里渊频移变化。布里渊频移对应着光纤的应力和温度变化。当土木结构7发生变化时，多芯光纤5发生形变，由于各个芯的空间位置不同，因此对应的变化系数不同。通过测量多个纤芯中的布里渊频移，通过微处理器或计算机可以解调出土木结构7的应力变化和弯曲变化以及温度变化。
由于多芯光纤5中各个芯的空间位置不同，导致对结构件状态变化的应变响应不同，当土木工程结构形状发生变化时，不同纤芯的响应不同，通过测量多个纤芯的布里渊频移变化，解调可以得到土木工程结构弯曲变形和轴向应变；同时，可以补偿环境温度变化。需要指出的是本发明中使用的多芯光纤5的任意一根芯都对结构的弯曲敏感，而且不要求一定具有中间芯结构。一般多芯光纤5的纤芯数大于三个，以实现弯曲、纵向应变和温度的区分测量。
作为一种更优实施例，碳纤维布4和多芯光纤5的物理特性和尺寸相似，可以良好地复合形成多芯光纤复合编制碳纤维布。在碳纤维布4生产过程中，直接将多芯光纤5编织在其中，不影响碳纤维布4的加固特性和截面尺寸。
多芯光纤复合编制碳纤维布采用与复合碳纤维布配套的树脂浸渍胶6粘结于混凝土构件的表面。利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。结构件形状变化将传递到多芯光纤5上。
多芯光纤耦合器3是一种多芯光纤5配套装置，其一端为多芯光纤5，另一端为多根普通光纤。每一根普通光纤，对应着多芯光纤5中的一个芯。通过多芯光纤耦合器3，将多芯光纤5与一般的光纤设备连接。
所述分布式光纤布里渊传感系统1是一种可以测量光纤各点布里渊频移的装置，包括布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪等任何一个即可，但并不局限于此种类型的结构，其他可以测量光纤分布式布里渊变化的仪器也可应用于本系统。布里渊频移的变化对应光纤的应力和温度变化。结合光开关2和多芯光纤耦合器3，实现对多芯光纤5中各个纤芯的应力和温度分布式测量。
所述的多芯光纤耦合器3与多芯光纤5相配套，拥有低插入损耗和串扰。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监测装置，其特征在于：包括碳纤维布、多芯光纤、多芯光纤耦合器、光开关和分布式光纤布里渊传感系统，所述多芯光纤在碳纤维布编制过程中被编织在其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布，多芯光纤复合编制碳纤维布通过浸渍胶粘结于土木结构表面的方式进行加固，所述分布式光纤布里渊传感系统与光开关相连，光开关与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器与多芯光纤相连，通过光开关切换，分布式光纤布里渊传感系统测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构发生变化时，多芯光纤发生形变，从而通过微处理器或计算机解调出土木结构的应力变化和弯曲变化以及温度变化。
2.如权利要求1所述的结构加固与状态监测装置，其特征在于：所述光开关的通道数大于或等于多芯光纤的纤芯数。
3.如权利要求1所述的结构加固与状态监测装置，其特征在于：所述多芯光纤复合编制碳纤维布采用树脂浸渍胶粘结于土木结构的表面。
4.如权利要求1所述的结构加固与状态监测装置，其特征在于：所述多芯光纤的纤芯数至少三个，以实现弯曲、纵向应变和温度的区分测量。
5.如权利要求1所述的结构加固与状态监测装置，其特征在于：所述分布式光纤布里渊传感系统是一种可以测量光纤各点布里渊频移的装置，其为布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪。
6.一种多芯光纤复合编制碳纤维布式的结构加固与状态监方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、首先在碳纤维布编制过程中将多芯光纤编织其内形成多芯光纤复合编制碳纤维布；
步骤二、将多芯光纤复合编制碳纤维布浸渍胶粘结于土木结构的表面进行加固；
步骤三、将分布式光纤布里渊传感系统与光开关相连，光开关与多芯光纤耦合器相连，多芯光纤耦合器与多芯光纤相连；
步骤四、通过光开关切换，分布式光纤布里渊传感系统测量多芯光纤中各个芯的布里渊频移变化，当土木结构发生变化时，多芯光纤发生形变，从而通过微处理器或计算机解调出土木结构的应力变化、弯曲变化以及温度变化。
7.如权利要求6所述的结构加固与状态监测方法，其特征在于：所述多芯光纤复合编制碳纤维布采用树脂浸渍胶粘结于土木结构的表面。
8.如权利要求6所述的结构加固与状态监测方法，其特征在于：所述多芯光纤的纤芯数至少三个，以实现弯曲、纵向应变和温度的区分测量。
9.如权利要求6所述的结构加固与状态监测方法，其特征在于：所述光开关的通道数大于或等于多芯光纤的纤芯数。
10.如权利要求6所述的结构加固与状态监测方法，其特征在于：所述分布式光纤布里渊传感系统是一种可以测量光纤各点布里渊频移的装置，其为布里渊光时域反射仪和布里渊光时域分析仪。
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