CN113203690B - 一种基于ofdr+emi的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统与方法，其中的OFDR分布式光纤和压电陶瓷传感器，其结构简单、易于操作、成本低廉、性能稳定，其抗干扰能力强、灵敏度高，同时其寿命长、安装简单，因此可以大范围的使用；OFDR分布式光纤和压电陶瓷传感器外部拿环氧树脂作为保护层，其安全度较高，不易被损坏，因此适用于各种不同类型的钢筋混凝土路面中；本发明通过OFDR分布式光纤精准定位裂缝开裂位置，通过压电陶瓷传感器精确确定裂缝开裂宽度，可以实时监测路面裂缝的产生，达到了在毫米级上对裂缝进行监测的目的，同时降低路面监测成本，推动智能化交通建设，因此本发明同时也适用于其他大型钢筋混凝土路面的长期动态监测。
Description
技术领域
本发明涉及道路监测技术领域，尤其涉及一种基于OFDR+EMI 的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统与方法。
背景技术
部分连续配筋混凝土路面(PCRCP)，是一种混凝土面层内纵向间隔配有“连续钢筋”和“部分连续钢筋”，横向配有构造钢筋，在“部分连续钢筋”区域处实施早期主动裂缝诱导措施，形成由“主动裂缝”和“被动(自然)裂缝”共同组成的均匀裂缝形态的路面新形式。其发挥主动裂缝控制技术优势，在主动裂缝区域采用纵向增加“部分连续钢筋”实现控制裂缝宽度，在低应力钢筋区域则采用低配筋率的“连续钢筋”约束被动裂缝。但是，裂缝特别是微裂缝的扩展，如果不进行适当的管控，则会极大降低了路面使用性能，严重缩短道路使用寿命。然而，传统维修的“事后”特性表明，裂缝只能在发生后才能修复，这会大大增加了成本，因此需要先进的技术来准确监测和定位内部裂缝。
目前，现有的路面裂缝检测技术包括：人工观察法、探地雷达、超声脉冲法、红外热像与图像技术等。但这些监测方法大多为点式监测，往往是在定检过程中通过人工检查发现裂缝后再对裂缝进行定点检测，无法做到及时防缝、控缝，很容易造成险情或重要的先兆信息漏检。并且这些传统监测技术缺乏自发性，不能实现自动化、智能化监测。
OFDR分布式光纤传感技术作为一种分布式监测技术，该技术中光纤既是传输介质也是传感元件，可获得沿光纤传感方向的所有被测物理量，通过合理布设光纤网络可对被测结构实现整体健康监测，可进行空间上的连续测量。但是该技术有一定的不足，该技术得到的是光纤中某点的应变，是该点附近感应光信号解调仪在其空间分辨率范围内的平均应变。除此之外，裂缝附近显得更为集中的光纤局部应变分布，不仅不能反映在光纤的平均应变中，还会加剧感应光信号的扭曲畸变，进一步降低光纤裂缝检测的灵敏度和可靠性，并给裂缝定宽造成困难。而基于压电陶瓷传感器的机电阻抗(EMI)技术，其充分利用压电陶瓷的压电效应，将传感器通过一定的方式埋置于待测结构内部中，可以在一定程度上减弱外界环境对压电陶瓷传感器的影响，从而保证检测系统的实时性和有效性。基于压电陶瓷制作的传感器具有重量轻、灵敏度高、性能稳定、制作简单且成本低等优点。但其也存在一些缺点，如该方法有效的响应范围小，只对传感器周围的局部损伤敏感。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种可以自感应开裂信息的高精度部分连续配筋混凝土路面裂缝实时监测系统与方法，其基于OFDR分布式光纤传感技术与机电阻抗技术，可以实时、无损、连续监测PCRCP内部应变变化规律和路面内部裂缝的开裂时间、开裂位置、开裂宽度。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，包括：
OFDR分布式光纤传感监测装置和机电阻抗监测装置；
其中，OFDR分布式光纤监测装置包括光源发生模块、OFDR分布式光纤传感模块、数据采集模块、无线传输模块与第一计算机；
机电阻抗监测装置包括压电陶瓷(PZT)传感器、阻抗分析仪和第二计算机；
OFDR分布式光纤传感模块的分布式光纤间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋中，通过光源发生模块产生的光源以预设方式射入分布式光纤中，通过数据采集模块采集分布式光纤中应变信号，通过无线传输模块传输至第一计算机，监测应变信号幅度变化，以定位裂缝开裂位置；
同时，压电陶瓷传感器间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋处，通过阻抗分析仪接收压电陶瓷传感器感应产生的导纳信号，传输至第二计算机，监测导纳信号的变化情况，以确定裂缝开裂宽度；
结合对裂缝开裂位置和开裂宽度的监测，实现对部分连续配筋混凝土路面的实时裂缝监测。
其中，OFDR分布式光纤从内到外依次包括：光纤纤芯、涂覆层、包覆层、柔性护套和刚性护套。
其中，压电陶瓷传感器包括压电陶瓷元件、粘结在压电陶瓷元件的导电片、包裹在压电陶瓷元件外部的防水层与封装层。
其中，第一计算机和第二计算机为执行不同计算指令的同一台计算机；所述OFDR分布式光纤传感模块和压电陶瓷传感器均设置多组。
其中，裂缝宽度通过式(1)来确定：
式中：和/>代表第i个传感器的裂缝产生后电阻抗值和产生前电阻抗值；K为常数系数，与压电陶瓷传感器参数有关；h为厚度；C 为弹性刚度。
此外，本发明提供一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测方法，使用如前述技术方案所述的基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统进行监测，包括：
安装系统完成后，测量压电陶瓷传感器的导纳值；
待路面出现裂缝后，通过OFDR分布式光纤进行精准定位，找寻对应位置的压电陶瓷传感器的信号幅值变化，计算出裂缝产生前后的电阻抗值；
基于裂缝出现前后的电阻抗值，计算路面裂缝宽度大小，以反映路面损伤情况。
区别于现有技术，本发明提供了一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统与方法，其中的OFDR分布式光纤和压电陶瓷传感器，其结构简单、易于操作、成本低廉、性能稳定，其抗干扰能力强、灵敏度高，同时其寿命长、安装简单，因此可以大范围的使用；OFDR分布式光纤和压电陶瓷传感器外部拿环氧树脂作为保护层，其安全度较高，不易被损坏，因此适用于各种不同类型的钢筋混凝土路面中；本发明通过OFDR分布式光纤精准定位裂缝开裂位置，通过压电陶瓷传感器精确确定裂缝开裂宽度，可以实时监测路面裂缝的产生，达到了在毫米级上对裂缝进行监测的目的，同时降低路面监测成本，推动智能化交通建设，因此本发明同时也适用于其他大型钢筋混凝土路面的长期动态监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统的工作原理示意图；
图3为本发明提供的一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统的压电陶瓷传感器与主体结构之间相互作用的一维机电模型示意图。
图4为本发明提供的一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测方法的流程示意图。
附图标记说明：1-光源、2-数据采集装置、3-无线传输器、4-OFDR 分布式光纤传感系统、5-压电陶瓷(PZT)传感器、6-阻抗分析仪、7- 计算机。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，包括：
OFDR分布式光纤传感监测装置和机电阻抗监测装置；
其中，OFDR分布式光纤监测装置包括光源发生模块1、OFDR分布式光纤传感模块4、数据采集模块2、无线传输模块3与第一计算机7；
机电阻抗监测装置包括压电陶瓷(PZT)传感器5、阻抗分析仪6 和第二计算机8；
OFDR分布式光纤传感模块4的分布式光纤间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋中，通过光源发生模块1产生的光源以预设方式射入分布式光纤中，待路面产生裂缝后光纤中的光信号发生变化，通过数据采集模块2采集分布式光纤中应变信号，通过无线传输模块3传输至第一计算机7，监测应变信号幅度变化，以定位裂缝开裂位置；
同时，压电陶瓷传感器5间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋处，待路面产生裂缝后电陶瓷传感器5感应产生的导纳信号，通过阻抗分析仪6接收压电陶瓷传感器5感应产生的导纳信号，传输至第二计算机8，监测导纳信号的变化情况，以确定裂缝开裂宽度；
结合对裂缝开裂位置和开裂宽度的监测，实现对部分连续配筋混凝土路面的实时裂缝监测。
如图2所示，OFDR分布式光纤间隔设置于连续钢筋中，设置多个不同的监测组；OFDR分布式光纤从内到外依次包括：光纤纤芯、涂覆层、包覆层、柔性护套和刚性护套。OFDR分布式光纤上部采用环氧树脂涂裹包裹，对光纤起到固定保护作用。
其中，压电陶瓷传感器5包括压电陶瓷元件、粘结在压电陶瓷元件的导电片、包裹在压电陶瓷元件外部的防水层与封装层。压电陶瓷传感器5中，封装层主要作用为防水绝缘、耐热耐腐蚀，因此可用常用的环氧树脂；而防水层材料则可用聚氨酯树胶。
由于压电陶瓷(PZT)作为一种智能骨料，既可以作驱动器又可以作传感器。当一个正弦电压作用在压电陶瓷传感器5上时，压电陶瓷传感器5会根据电压的方向发生振动。当路面产生裂缝时，压电陶瓷传感器5通过两个表面导电片被交变电压激发，其内部的正负电荷中心发生相对位移出现异号极化电荷，进而产生电势差(电压)，而后产生的电反应传到阻抗分析仪6；阻抗分析仪6将得到的导纳值传送到第二计算机8上，第二计算机8通过解析得到的导纳值变化来确定裂缝宽度大小。
本发明中所用的光纤和压电陶瓷传感器5均可以采用常用的光纤和压电陶瓷，这两样成本低廉，可以大规模的在钢筋混凝土路面中使用。
其中，第一计算机7和第二计算机8为执行不同计算指令的同一台计算机；所述OFDR分布式光纤传感模块4和压电陶瓷传感器5均设置多组。
本发明的具体实施方案为：将一切安装好后，浇入混凝土并压平。当路面出现裂缝时，在钢筋上安装的OFDR分布式光纤和压电陶瓷传感器5会监测到这一现象。而后OFDR分布式光纤将不再贴覆于结构表面而是悬挂在裂缝处，由于光纤是利用光的全反射原理保证光波只在纤芯内传播，当光在光纤中传播时，会因瑞利散射或菲涅尔反射依次产生背向回波信号。因此裂缝处产生的扰动将改变光纤在该点的特性，使得该点所产生的干涉信号发生变化，发生散射频移现象；通过监测干涉信号的变化，即可监测到结构发生裂缝时的扰动信号，并最终经由对信号的调理与识别，迅速判断裂缝产生的情况及位置。压电陶瓷传感器5则会产生振动，其应变会发生变化，这种变化通过导纳或者阻抗的形式传送到阻抗分析仪6上；导纳间接的代表压电陶瓷传感器5的振动频率，并且携带有裂缝的相关信息；通过持续监测导纳信号，解析其随路面裂缝尺寸的变化规律，从而可以实现对路面裂缝的实时监测。
图3所示为压电陶瓷传感器与主体结构之间相互作用的一维机电模型。在该模型中，压电陶瓷传感器与主体结构耦合成为压电陶瓷驱动系统。通过高频交变电场对PZT传感器进行高频电激励，传感器产生电反应，对主体结构施加谐波力，从而产生以导纳或阻抗为形式的结构相应。由于PZT传感器既可以作驱动器又可以作传感器，因此可以进一步捕获。
压电陶瓷传感器与主体结构之间的交互作用可以用以下方程式表示：
式中：Y(ω)代表导纳值；ω是角频率；G(ω)和B(ω)分别是导纳的实部和虚部，即电导和电纳；l、b和h分别是PZT传感器的长度、宽度和厚底；Zs(ω)和Za(ω)分别是PZT传感器的机械阻抗；和/>为PZT传感器的复介电常数(零电场)和杨氏模量(零应力状态)。另外，d31是零应力状态下的压电应变系数。
主机结构的机械阻抗随其力学性能的变化而变化，进而导致集成在结构中的PZT传感器的电阻抗发生变化。本发明中采用一维机电模型来解释PZT传感器与混凝土之间的耦合。因此，基于机电阻抗法，可以通过测量PZT传感器的导纳(电阻抗的倒数)信号变化来精确地确定裂缝开裂宽度。
裂缝宽度具体确定方法为：
待设备安装好后，还未有裂缝时，测量压电陶瓷传感器的导纳(电阻抗的倒数)值，通过以下式(3)来计算。待路面出现裂缝后，OFDR 分布式光纤精准定位后，迅速找寻对应的压电陶瓷传感器的位置相对应的信号幅值变化，计算出裂缝产生前后的电阻抗值，而后通过式(2) (4)算出路面的裂缝宽度大小，从而反应其路面的损伤情况。
压电陶瓷传感器的电位移：
压电陶瓷传感器的电阻抗值：
因此裂缝宽度通过式(1)来确定：
式中：和/>代表第i个传感器的裂缝产生后电阻抗值和产生前电阻抗值；K为常数系数，与压电陶瓷传感器参数有关；h为厚度；C 为弹性刚度。
因此，本发明首先通过OFDR分布式光纤动态应变监测数据精准定位路面局部裂缝开裂时间与位置，然后根据压电陶瓷传感器中导纳幅值变化来精确确定路面裂缝开度值，实现路面裂缝的实时监测与定位，达到了在毫米级上对裂缝进行监测的目的，同时降低路面监测成本，推动智能化交通建设。
此外，如图4所示，本发明提供一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测方法，使用如前述技术方案所述的基于 OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统进行监测，包括：
安装系统完成后，测量压电陶瓷传感器的导纳值；
待路面出现裂缝后，通过OFDR分布式光纤进行精准定位，找寻对应位置的压电陶瓷传感器的信号幅值变化，计算出裂缝产生前后的电阻抗值；
基于裂缝出现前后的电阻抗值，计算路面裂缝宽度大小，以反映路面损伤情况。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，其特征在于，包括：OFDR分布式光纤传感监测装置和机电阻抗监测装置；
其中，OFDR分布式光纤传感监测装置包括光源发生模块、OFDR分布式光纤传感模块、数据采集模块、无线传输模块与第一计算机；
机电阻抗监测装置包括压电陶瓷（PZT）传感器、阻抗分析仪和第二计算机；
OFDR分布式光纤传感模块的OFDR分布式光纤间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋中，通过光源发生模块产生的光源以预设方式射入分布式光纤中，通过数据采集模块采集分布式光纤中应变信号，通过无线传输模块传输至第一计算机，监测应变信号幅度变化，以定位裂缝开裂位置；
同时，压电陶瓷传感器间隔设置于连续配筋混凝土路面的部分连续钢筋处，通过阻抗分析仪接收压电陶瓷传感器感应产生的导纳信号，传输至第二计算机，监测导纳信号的变化情况，以确定裂缝开裂宽度；
待路面出现裂缝后，通过OFDR分布式光纤进行精准定位，找寻对应位置的压电陶瓷传感器的信号幅值变化，计算出裂缝产生前后的电阻抗值；通过OFDR分布式光纤精准定位裂缝开裂位置，通过压电陶瓷传感器精确确定裂缝开裂宽度，实时监测路面裂缝的产生，达到了在毫米级上对裂缝进行监测的目的；
结合对裂缝开裂位置和开裂宽度的监测，实现对部分连续配筋混凝土路面的实时裂缝监测；
裂缝宽度通过式（1）来确定：
（1）
式中：Z i 1和Z i 0代表第i个传感器的裂缝产生后电阻抗值和产生前电阻抗值；K为常数系数，与压电陶瓷传感器参数有关；h为厚度；C为弹性刚度。
2.根据权利要求1所述的基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，其特征在于，所述OFDR分布式光纤从内到外依次包括：光纤纤芯、涂覆层、包覆层、柔性护套和刚性护套。
3.根据权利要求1所述的基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，其特征在于，所述压电陶瓷传感器包括压电陶瓷元件、粘结在压电陶瓷元件的导电片、包裹在压电陶瓷元件外部的防水层与封装层。
4.根据权利要求1所述的基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统，其特征在于，所述第一计算机和第二计算机为执行不同计算指令的同一台计算机；所述OFDR分布式光纤传感模块和压电陶瓷传感器均设置多组。
5.一种基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测方法，使用如权利要求1-4任一所述的基于OFDR+EMI的连续配筋混凝土路面裂缝监测系统进行监测，其特征在于，包括：
安装系统完成后，测量压电陶瓷传感器的导纳值；
待路面出现裂缝后，通过OFDR分布式光纤进行精准定位，找寻对应位置的压电陶瓷传感器的信号幅值变化，计算出裂缝产生前后的电阻抗值；
基于裂缝出现前后的电阻抗值，计算路面裂缝宽度大小，以反映路面损伤情况。
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