CN109030497B - 一种混凝土结构裂缝自动监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土结构裂缝自动监测系统，包括：稳定光源、多根监测光纤、多个波分复用器、多个光开关、光功率采集单元、光功率分析单元、光时域反射模块和中央处理器；每根监测光纤的首端均与所述稳定光源连接，末端均与对应的波分复用器的第一端口连接；每个波分复用器的第二端口均依次连接所述光功率采集单元和所述光功率分析单元；每个波分复用器的第三端口均与所述光开关连接；所述光开关与所述光时域反射模块连接；所述中央处理器分别与所述光功率分析单元、光开关和光时域反射模块连接。本发明可实现实时在线和连续监测，并能监测结构裂缝的整体情况，且仅需配置一台光时域反射仪就能达到良好的裂缝定量监测效果。

Description

一种混凝土结构裂缝自动监测系统
技术领域
本发明涉及土木、水利行业结构安全监测与健康诊断领域，具体涉及一种混凝土结构裂缝自动监测系统。
背景技术
开裂现象在混凝土结构建造和使用中较为普遍，其发展到一定程度，会降低混凝土的性能，破坏结构的整体性和安全性。因此，对裂缝进行动态和长期监测对保障结构安全具有重要意义。现有的裂缝监测技术主要以点式电测传感器为主，如电感式、电容式裂缝传感器等。其精度低，实时性差，仅能对少数测点进行观测，且易受电磁场等环境因素干扰，信息较为受限，难以适应裂缝的随机性和不确定性的特点。此外，激光测量方法受光传播条件限制，适应性不强。相比之下，光纤传感技术具有体积小、灵敏度高、使用寿命长、抗腐蚀抗电磁干扰能力强等优点，为实现分布式连续监测，远程实时监测提供了可行途径。但目前光纤裂缝监测大多成本高，多为单点监测，结构整体监测能力差，不能很好满足工程需要。
现有技术中，用于光纤监测的光时域反射仪成本较高，且长时间连续使用会发生过热甚至损坏的问题，影响监测效果，不利于长期准确的监测。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种混凝土结构裂缝自动监测系统，可同时利用多条监测光纤实现分布式多裂缝实时定量监测，测量精度高，成本低廉，适应于大范围应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种混凝土结构裂缝自动监测系统，包括：稳定光源、多根监测光纤、多个波分复用器、多个光开关、光功率采集单元、光功率分析单元、光时域反射模块和中央处理器；
每根监测光纤的首端均与所述稳定光源连接，末端均与对应的波分复用器的第一端口连接；每个波分复用器的第二端口均依次连接所述光功率采集单元和所述光功率分析单元；每个波分复用器的第三端口均与所述光开关连接；所述光开关与所述光时域反射模块连接；所述中央处理器分别与所述光功率分析单元、光开关和光时域反射模块连接；
所述稳定光源向所述多根监测光纤发射光，所述光功率采集单元采集发射光在每根监测光纤上的光功率，并通过所述光功率分析单元进行动态光功率损耗分析，当分析得到其中一根监测光纤上的光功率损耗值超过所述光功率分析单元预设的光功率门限时，发送所述监测光纤的告警信号给所述中央处理器，所述中央处理器控制所述光开关选择出现告警信号的所述监测光纤并启动所述光时域反射模块；
所述光时域反射模块产生经过脉冲调制的光脉冲，所述光脉冲通过所述波分复用器复用到出现告警信号的所述监测光纤中，所述光时域反射模块接收所述光脉冲在所述监测光纤中的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号并将其传送至所述中央处理器，所述中央处理器根据所述散射信号和反射信号来分析裂缝特征。
优选地，所述光功率门限是根据所述裂缝与光损耗的关系来设定的。
具体地，所述光时域反射模块为光时域反射仪。
优选地，所述中央处理器还包括数据存储模块、数据分析模块、声光报警模块和显示模块。
优选地，所述声光报警模块与外部的声光报警装置连接。当所述光功率分析单元分析得到其中一根监测光纤上的光功率损耗值超过所述光功率分析单元预设的光功率门限时，发送所述监测光纤的告警信号给所述声光报警模块，所述声光报警模块触发所述声光报警装置进行声光报警。
优选地，所述显示模块与外部的显示装置连接。
优选地，所述中央处理器将接收到的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号的数据进行实时分类处理，一方面将数据传送到所述数据存储模块中进行存储，另一方面将数据传送到所述数据分析模块中进行分析。
具体地，将各监测光纤埋设到混凝土结构中或布置在结构表面，通过所述稳定光源向各监测光纤发射光功率特性稳定不变的光，通过所述光功率采集单元采集各监测光纤上的光功率，并通过所述光功率分析单元进行动态光功率损耗分析，当结构出现裂缝时，所述裂缝附近的监测光纤的光功率会发生损耗，所述光功率分析单元根据裂缝与光功率损耗的关系预先设定有光功率门限，当光功率损耗值超过所述光功率门限时，触发所述声光报警模块进行告警，同时所述中央处理器控制所述光开关选择出现告警信号的监测光纤并启动所述光时域反射模块，所述光时域反射模块产生经过脉冲调制的光脉冲，所述光脉冲通过所述波分复用器复用到所述监测光纤中，并在所述监测光纤中反向传输，所述光时域反射模块接收所述监测光纤中的瑞利散射和菲涅尔反射信号，所述信号传送至所述中央处理器并通过所述数据分析模块分析裂缝特征，所述数据分析模块通过菲涅尔反射信号定位裂缝的发生位置，通过瑞利散射信号，得到裂缝的位置、开度、开展方向等定量信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1)本发明充分利用了光纤体积小、灵敏度高、精度高、使用寿命长、抗腐蚀抗电磁干扰能力强等优点，通过布设多根监测光纤，实时获取各监测光纤的光功率并进行光功率损耗分析，自动定位出现告警信息的监测光纤，并利用光时域反射模块获取光脉冲在出现告警信息的监测光纤中的散射及反射信号，通过对所述散射及反射信号的分析可实现实时在线和连续监测，并能监测结构的整体情况；2)本发明通过同时监测各光纤的光功率，进而对光功率变化异常的光纤采用光时域反射仪探测裂缝的信息，仅需配置一台光时域反射仪而无需每根监测光纤均配备，且结构正常情况下无需长时间连续使用，大大节省了成本，并能达到较好的裂缝定量监测效果。
附图说明
图1是根据实施例的本发明裂缝自动监测系统示意图；
图2是根据实施例的本发明监测光纤布设方式示意图；
图3是根据实施例的SH2001-J型塑料光纤力光转换特性试验的模拟装置示意图；
图4是根据实施例的SH2001-J型塑料光纤力光转换特性试验的试验结果示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，一种混凝土结构裂缝自动监测系统，包括：稳定光源、N根监测光纤、N个波分复用器、N个光开关、光功率采集单元、光功率分析单元、光时域反射模块和中央处理器；每根监测光纤的首端均与所述稳定光源连接，末端均与对应的波分复用器的第一端口连接；每个波分复用器的第二端口均依次连接所述光功率采集单元和所述光功率分析单元；每个波分复用器的第三端口均与所述光开关连接；所述光开关与所述光时域反射模块连接；所述中央处理器分别与所述光功率分析单元、光开关和光时域反射模块连接；所述稳定光源向所述N根监测光纤发射光，所述光功率采集单元采集发射光在每根监测光纤上的光功率，并通过所述光功率分析单元进行动态光功率损耗分析，当分析得到其中一根监测光纤上的光功率损耗值超过所述光功率分析单元预设的光功率门限时，发送所述监测光纤的告警信号给所述中央处理器，所述中央处理器控制所述光开关选择出现告警信号的所述监测光纤并启动所述光时域反射模块；所述光时域反射模块产生经过脉冲调制的光脉冲，所述光脉冲通过所述波分复用器复用到出现告警信号的所述监测光纤中，所述光时域反射模块接收所述光脉冲在所述监测光纤中的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号并将其传送至所述中央处理器，所述中央处理器根据所述散射信号和反射信号来分析裂缝特征。
具体地，所述经过脉冲调制的光脉冲是由所述光时域反射模块中的脉冲发生器控制激光二极管发出的。
具体地，所述光功率门限是根据所述裂缝与光损耗的关系来设定的。
具体地，所述散射信号和反射信号为瑞利散射信号和菲涅尔反射信号。
具体地，所述光时域反射模块为光时域反射仪。
具体地，所述中央处理器还包括数据存储模块、数据分析模块、声光报警模块和显示模块。所述声光报警模块与外部的声光报警装置连接。当所述光功率分析单元分析得到其中一根监测光纤上的光功率损耗值超过所述光功率分析单元预设的光功率门限时，发送所述监测光纤的告警信号给所述声光报警模块，所述声光报警模块触发所述声光报警装置进行声光报警。所述显示模块与外部的显示装置连接。所述中央处理器将接收到的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号的数据进行实时分类处理，一方面将数据传送到所述数据存储模块中进行存储，另一方面将数据传送到所述数据分析模块中进行分析。
实施例
如图2所示，本发明的一种混凝土结构裂缝自动监测系统用于混凝土拱坝裂缝监测。监测光纤采用三菱公司SH2001-J型塑料光纤，稳定光源选用日本安立公司MG-921A型稳定光源，光功率采集单元采用JW3233型光功率计，光时域反射模块采用OTDR-2100POF-650-4型光时域反射仪。根据拱坝的结构特性及地质条件建立有限元分析模型，通过对拱坝进行结构分析来判断拱坝潜在的开裂区域。所述塑料光纤平行布设于拱坝下游面。将所述塑料光纤布设在由上述有限元分析模型得到的上部潜在开裂区域内，所述塑料光纤埋设在坝体内部或粘贴在坝体表面。坝体内部埋设的塑料光纤以不同高程来布设，先在仓面上沿所述塑料光纤布设的路线事先开槽，用水泥砂浆进行掩埋，然后用混凝土进行浇筑；对于坝体表面粘贴的塑料光纤，则在坝体主体施工完成以后运用环氧结构胶进行粘贴。
本实施例中，通过所述稳定光源向各塑料光纤发射监测的光，通过所述光功率采集单元采集监测的光的光功率，并通过所述光功率分析单元进行动态光功率损耗分析；所述光功率分析单元根据裂缝与光功率损耗的关系设定光功率门限，当分析得到的光功率损耗值超过设定的相应门限时，触发所述声光报警模块对可能发生的结构裂缝进行告警，同时所述中央处理器控制所述光开关选择出现告警信号的监测光纤并启动所述光时域反射仪，所述光时域反射仪产生经过脉冲调制的光脉冲，所述光脉冲通过所述波分复用器复用到所述监测光纤中，并在所述监测光纤中反向传输；所述中央处理器通过所述光时域反射仪接收所述监测光纤中的瑞利散射和菲涅尔反射信号，并通过所述数据分析模块分析裂缝特征。
本实施例中裂缝特征的确定是根据SH2001-J型塑料光纤力光转换特性试验得到的。
SH2001-J型塑料光纤力光转换特性试验的试验模拟装置如图3所示，在所述模拟装置中，塑料光纤(POF)一端连接光时域反射仪(OTDR)，另一端连接塑料光纤尾纤，两块玻璃板相对移动可实现对裂缝开展的模拟；将塑料光纤与裂缝呈不同角度布置进行多次试验，可以获得不同裂缝开度和不同的塑料光纤与裂缝夹角下的光损耗。在试验中，将塑料光纤与裂缝呈不同角度(30°、45°、60°)布置并进行多次试验，以塑料光纤内光损耗水平作为裂缝监测指标。试验过程中实时记录裂缝开度值及对应的光损耗水平，当光损耗水平不再发生明显变化时停止试验，试验结果如图4所示。通过大量试验对数据进行回归分析，得到塑料光纤光损耗与裂缝开度及裂缝宽度的关系：
Figure BDA0001719295540000061
式中，A为光损耗，δ为裂缝开度，θ为塑料光纤与裂缝的夹角，c1至c5表示回归系数(即，常数项)。
具体地，当结构发生开裂时，先根据光时域反射仪接收到的菲涅尔反射事件点位置进行裂缝定位，当裂缝与相邻两条光纤存在两个交点时，根据交点位置几何关系确定夹角θ，然后通过监测得到的裂缝与塑料光纤交点的光散射损耗确定开度δ，这里的光散射损耗是由光时域反射仪测量得到。
具体地，首先根据两个菲涅尔反射事件点位置可得到两个交点的位置，假设裂缝开展方向不变，即裂缝与相邻两条塑料光纤的夹角均为θ，则可根据两个交点的位置确定该夹角θ，在所述两个交点处分别测得光散射损耗A1、A2，根据上述光散射损耗A与裂缝开度δ及裂缝与塑料光纤夹角θ的关系式，可得到δ，即确定了裂缝的位置，开度和开展方向。
综上所述，通过整合拱坝上布设的所有塑料光纤的测量结果，即可确定裂缝在拱坝上的空间分布及裂缝开度，从而实现裂缝的定量监测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (6)

1.一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，包括：稳定光源、多根监测光纤、多个波分复用器、多个光开关、光功率采集单元、光功率分析单元、光时域反射模块和中央处理器；
每根监测光纤的首端均与所述稳定光源连接，末端均与对应的波分复用器的第一端口连接；每个波分复用器的第二端口均依次连接所述光功率采集单元和所述光功率分析单元；每个波分复用器的第三端口均与所述光开关连接；所述光开关与所述光时域反射模块连接；所述中央处理器分别与所述光功率分析单元、光开关和光时域反射模块连接；
所述稳定光源向所述多根监测光纤发射光，所述光功率采集单元采集发射光在每根监测光纤上的光功率，并通过所述光功率分析单元进行动态光功率损耗分析，当分析得到其中一根监测光纤上的光功率损耗值超过所述光功率分析单元预设的光功率门限时，发送所述监测光纤的告警信号给所述中央处理器，所述中央处理器控制所述光开关选择出现告警信号的所述监测光纤并启动所述光时域反射模块；同时监测各光纤的光功率，将光时域反射模块接入光功率变化异常的光纤，以探测裂缝的信息；
所述光时域反射模块产生经过脉冲调制的光脉冲，所述光脉冲通过所述波分复用器复用到出现告警信号的所述监测光纤中，所述光时域反射模块接收所述光脉冲在所述监测光纤中的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号并将其传送至所述中央处理器，所述信号传送至所述中央处理器并通过所述数据分析模块分析裂缝特征，所述数据分析模块通过菲涅尔反射信号定位裂缝的发生位置，通过瑞利散射信号，得到裂缝的位置、开度、开展方向等定量信息；
当结构发生开裂时，先根据所述光时域反射仪接收到的菲涅尔反射事件点位置进行裂缝定位，当裂缝与相邻两条光纤存在两个交点时，根据交点位置几何关系确定夹角θ，然后通过监测得到的裂缝与塑料光纤交点的光散射损耗确定开度δ，这里的光散射损耗是由光时域反射仪测量得到。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，所述光功率门限是根据所述裂缝与光损耗的关系来设定的。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，所述中央处理器还包括数据存储模块、数据分析模块、声光报警模块和显示模块。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，所述声光报警模块与外部的声光报警装置连接。
5.根据权利要求3所述的一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，所述显示模块与外部的显示装置连接。
6.根据权利要求3所述的一种混凝土结构裂缝自动监测系统，其特征在于，所述中央处理器将接收到的瑞利散射信号和菲涅尔反射信号的数据进行实时分类处理，一方面将数据传送到所述数据存储模块中进行存储，另一方面将数据传送到所述数据分析模块中进行分析。
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