CN116046061A - 水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法，包括融载体模块、下双向触发模块、任意向触发模块、光组件模块四个部分，任意向触发模块通过左旋心和右旋心与融载体模块连接，融载体模块通过卡扣柱与下双向触发模块相连接，保偏光纤依次通过光组件模块、融载体模块、任意向触发模块、下双向触发模块进行连接，提出多模块化的新型保偏光纤交错融合体，有效增加了新型保偏光纤多维参量化的静动态感知能力，提出了采用左协同感应盘和右协同感应盘的360°自由转动的方案，形成工程体的全域性神经感知组网，建立“未病”化的预警体系，可实现多方向全域化高精度安全信息快速智慧辨识，大大提高了保偏光纤的适应性。

Description

水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法

技术领域

本发明涉及水工健康监测领域，具体为一种水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法。

背景技术

水工程是一项规模庞大、结构复杂、外部作用多变的复杂混沌体系，未知性强，病害发展过程累积性、联动性特征显著，“未病先防、已病防变”是重要的工程病害防治理念，“未病”状态具有多维性、动态性、系统性、复杂性及显著的个体差异性。

然而“未病”发生、发展的工程学基础尚不明晰，缺乏可定量表征的客观指标。本专利以重大工程、重点区域、重大病害的“未病”状态为研究对象，利用先进感知、人工智能、大数据等多先进学科大交叉融合研究手段，形成工程体的全域性神经感知组网，全面揭示“未病”发生的工程学原理，构建“未病”临界状态的多数学模型，建立“未病”化的预警体系，为理解工程病害的发生机制、预判病害发生与发展、病害预防和诊疗新技术提供理论依据。

而对于传统的传感装置而言，其经常会出现抗电磁干扰能力差、易受到潮湿环境影响、使用寿命短、单点单物理量监测、引线过多、极其容易出现测值漂移等影响监测效果的问题，因此，需要研发先进、实用的监测技术及设备，随着当前人们安全意识及监测技术的不断提升，衍生了一批有代表性的方法：超声波检测法、声学方法、磁粉法、探地雷达、示踪剂法等多种技术，但是该类新方法对水工程的应力应变监测效果不大，需要对旧技术进行改进并探索新技术，分布式光纤监测技术是当前较为成熟的监测手段，具有抗电磁干扰能力强、不易受到外部环境影响、使用寿命长、可实现分布式多参量监测、不容易出现测值漂移、价格低廉、布设方便等优点，因此，基于传感光纤技术在水工程的应用研究意义极为重大，但是分布式光纤监测技术在水工程应力应变温度等多参量化监测方面的实用性较差，不能直接将其应用到水工结构工程监测中，需要对其进行改进与创新，提出与构建出一种可以真正实用化的新型监测技术传感系统。

另一方面，普通的传感光纤是传导某一波长的脉冲光时、波导中只有LP01的基模可以实现可靠传导、其他高阶模不能稳定存在的一种光纤类型，而保偏光纤是可以实现高阶模式的传播的新型光纤，高阶模式的优势就是更加稳定，不容易被干扰，基于上述实际工程具体需要，充分依赖分布式传感光纤的优点，填充当前研究与实用领域内的空白，本发明基于保偏光纤构建了一体化的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法，摒弃传统的传感光纤的使用，研发更高精度分布式水工结构体的多参量同步辨识技术，为能从静动态层面、时间与空间层面、内部与外部层面、全域与细部层面上实现水工结构体的安全性态定量与定性评估提供重要的保障。

发明内容

发明目的：为聚焦水工程病害发生前期的“亚健康”状态，阐明“未病”的工程学基础，构建表征“未病”状态共性规律的力学、数学等机理体系，明确可定量表征“未病”状态的客观指标，通过先进的感知技术形成“未病”状态的诊断方法，实现对“未病”的精准诊断及早期预警，建立工程科学研究的新范式。

本专利克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种多复杂环境下水工结构体应力应变感知装置及方法，具有布设便捷、分布式监测、同步运行、流程化、高效性特点，其成本低廉、操作简单、效果极佳，可以实现全时域待测水工结构体的自动化信息采集，形成系列化、一体化的监测技术，其在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有突出优势。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，包括融载体模块、下双向触发模块、任意向触发模块、光组件模块四个部分；融载体模块通过卡扣柱与下双向触发模块相连接，任意向触发模块通过左旋心和右旋心与融载体模块连接，保偏光纤依次通过光组件模块、融载体模块、任意向触发模块、下双向触发模块，将其进行连接。

任意向触发模块包括左固连柱、左阻隔体、左协同感应盘、串联体、右固连柱、右阻隔体、右协同感应盘，串联体将左协同感应盘和右协同感应盘进行连接，左协同感应盘通过左固连柱与左阻隔体连接，右协同感应盘通过右固连柱与右阻隔体连接；

融载体模块包括外载壳、周向螺栓、左旋心、右旋心、卡扣柱，外载壳上固定有周向螺栓以及三个独立的左旋心、右旋心、卡扣柱；

下双向触发模块包括内横拉压柱、内竖连导柱、协同导向盘，内横拉压柱与内竖连导柱进行连接，内竖连导柱与协同导向盘连接，保偏光纤穿过内横拉压柱；

光组件模块主要包括了激光器和背向Rayleigh散射接收器，保偏光纤将激光器和背向Rayleigh散射接收器进行连接。

水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，左阻隔体和右阻隔体为多联合结构式，其内端层为多孔细纹空芯结构，中层为柔性全密闭复合材料结构，外端层为硬质抗腐蚀不锈钢结构。

水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，在保偏光纤穿过左阻隔体和右阻隔体时，其左阻隔体和右阻隔体中最外层包裹有钢丝绳，通过拧紧钢丝绳的力度，将荷载传递到中层的柔性全密闭复合材料结构层及内端层的多孔细纹空芯结构，进而对穿过左阻隔体和右阻隔体的保偏光纤进行多级分段定位，左阻隔体左侧保偏光纤、左阻隔体与内横拉压柱之间的保偏光纤、内横拉压柱与右阻隔体之间的保偏光纤、右阻隔体右侧保偏光纤可以进行多级分段组合定位。

内横拉压柱的内层为柔性复合材料结构，次内层为表面细纹结构，次外层为柔性复合材料结构，外层为抗腐蚀不锈钢结构，保偏光纤穿过内横拉压柱后可以被最外层的钢丝绳进行柔性保护下的多级联合调控。

左协同感应盘可以绕着左旋心进行360°转动，右协同感应盘可以绕着右旋心进行360°转动，左协同感应盘和左旋心可以沿着串联体进行左右方向的水平移动。

水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，协同导向盘不能转动，其通过卡扣柱实现在外载壳上的进行水平向左右的有轨运行。

作为优选，周向螺栓为布置在外载壳四个边角上的带螺栓结构，当需要将水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置与待测水工结构体进行固定时，通过周向螺栓可将本装置与待测水工结构体进行多角度化串并联连接。

作为优选，为保证水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置与待测水工结构体有更好的协同变形性及光感测需求，外载壳的外缘四周设计成圆弧形结构。

作为优选，协同导向盘的左右轨道运动，可带动内横拉压柱水平运动，可以实现内横拉压柱与左阻隔体和右阻隔体之间距离的变化，可以引起保偏光纤的弯曲和拉压特性发生变化。

水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置的感测方法，感测方法包括以下步骤：

第一步，考虑水工程病害类型、需要监测的部位、区域大小，确定需要配置的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置数量，并基于水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，确定保偏光纤的长度以及待测水工结构体的待监测部位处左阻隔体与内横拉压柱之间的量程以及右阻隔体与内横拉压柱之间的量程；

第二步，将保偏光纤依次顺序穿过左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体三个部件，且待保偏光纤位置水平固定后，通过拧动左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体上的钢丝绳，使得保偏光纤依次固定在左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体上；

第三步，将处于外载壳两侧的保偏光纤一端连接偏振激光器，另一端经过背向Rayleigh散射接收期，固定好初始化位置处的左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体；

第四步，通过外载壳四个边角的周向螺栓，按照不同的角度及多级串联与并联路线，将水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置固定于待测水工结构体处，且通过确定布设的个数，基于保偏光纤将多个水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置进行串并连，完成初始化数据采集；

第五步，当待测水工结构体受到外界作用传递到左协同感应盘、右协同感应盘、协同导向盘时，会引起左阻隔体与内横拉压柱或者右阻隔体与内横拉压柱之间保偏光纤的弯曲与拉压，引起保偏光纤庞加球、空间双折射参量、模式耦合系数的多级联合变化，基于获得数据，与初始化数据进行差值比对分析，完成外界作用下的多源异构信息的有效监测。

有益效果：本发明的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置及方法，结构完整，流程化和自动化强，融合构建了内嵌融载体模块、下双向触发模块、任意向触发模块、光组件模块四大模块的多信息监测系统，摒弃普通传感光纤以及二次加工的弊端，提出构建更先进技术的保偏光纤以及新型感测装置及方法，具有智能化、数字化、集成化和小型化优势，可实现多方向应力应变温度等多特性辨识，极大地保证了该技术在实际工程中的应用和推广能力。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明中下双向触发模块的结构图；

图3为本发明中任意向触发模块的结构图；

其中：1-外载壳；2-周向螺栓；3-保偏光纤；4-协同导向盘；5-卡扣柱；6-内竖连导柱；7-内横拉压柱；8-右阻隔体；9-左阻隔体；10-左固连柱；11-右固连柱；12-右协同感应盘；13-右旋心；14-左协同感应盘；15-左旋心；16-串联体。

具体实施方式

下面结合附图1~3对本发明作更进一步的说明，为了更好地体现本发明的实施过程：

首先：本实施例选择水工结构工程中某重力坝的坝踵进行分析，考虑该重力坝的坝踵处容易出现应力异常的问题，若未及时掌握异常应力的情况，会发生重大的安全事故，是极为重要的病害类型，坝踵区域也是需要监测的重点部位，锁定待测区域为坝踵处的全部区域，通过监测布设要求，该区域一共需要水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置的个数为6个，确定保偏光纤3的长度为20m，进而确定了待监测部位处左阻隔体9与内横拉压柱7之间的量程为±5cm、右阻隔体8与内横拉压柱7之间的量程为±5cm。

其次：本实例中，水工程保偏光背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置包括内嵌融载体模块、下双向触发模块、任意向触发模块、光组件模块四大模块。

其中，融载体模块内装配有长度为20cm的外载壳1，外载壳1为不锈钢结构，四个直径为2cm的周向螺栓2一共布设在长度为20cm的外载壳1四周，直径为2cm的左旋心15和直径为2cm的右旋心13分别布置在长度为20cm、材质为不锈钢结构的外载壳1上部两侧位置，直径为2cm的卡扣柱5布置在20cm、材质为不锈钢结构的外载壳1的中间下部位置，直径为8cm的左协同感应盘14配置在直径为2cm的左旋心15上，直径为8cm的右协同感应盘12配置在直径为2cm的右旋心13上；

下双向触发模块包括内横拉压柱7、内竖连导柱6、协同导向盘4，内横拉压柱7与内竖连导柱6进行连接，内竖连导柱6与协同导向盘4连接，保偏光纤3穿过内横拉压柱7；下双向触发模块中的内横拉压柱7的内层为网布增强材料、涂布、粘合剂组成的柔性复合材料结构，次内层为表面细纹结构，次外层为网布增强材料、纤维增强材料、涂布、粘合剂组成的柔性复合材料结构，外层为抗腐蚀不锈钢结构，保偏光纤3穿过内横拉压柱7后可以被最外层的钢丝绳进行柔性保护下的多级联合调控，最外层的钢丝绳通过束缚力大小、束缚范围对保偏光纤进行多级调控；

任意向触发模块中长度为6cm串联体16将直径为5cm的左协同感应盘14和直径为5cm的右协同感应盘12进行连接，直径为5cm的左协同感应盘14通过钢质材料的、长度为4cm的左固连柱10与内层多孔细纹空芯结构、中层柔性全密闭网布增强材料结构、外端硬质抗腐蚀不锈钢结构的左阻隔体9连接，直径为5cm的右协同感应盘12通过钢质材料、长度为4cm的右固连柱11与内层多孔细纹空芯结构、中层柔性全密闭网布增强材料结构、外端硬质抗腐蚀不锈钢结构的右阻隔体8连接。

光组件模块主要包括了F-P腔激光器和背向Rayleigh散射接收器，保偏光纤3将F-P腔激光器和背向Rayleigh散射接收器进行连接。

第三：将保偏光纤3依次顺序穿过左阻隔体9、内横拉压柱7、右阻隔体8三个部件，且待保偏光纤3位置水平固定后，通过拧动左阻隔体9、内横拉压柱7、右阻隔体8上的钢丝绳，使得保偏光纤3依次固定在左阻隔体9、内横拉压柱7、右阻隔体8上，将处于外载壳1两侧的保偏光纤3一端连接偏振激光器，另一端经过背向Rayleigh散射接收器，固定好初始化位置处的左阻隔体9、内横拉压柱7、右阻隔体8。

最后：利用外载壳1四个边角的周向螺栓2，按照0°、 60°、120°、180°的角度及2个串联、4个并联的路线进行布设，将水工程保偏光纤3背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置固定于待测坝踵位置（待测水工结构体）处，启动后测试整个线路，多次测试取均值作为待测区域的初始数值，当待测坝踵区域受到外界水压及温度作用时，坝踵处结构体将产生应力，其将传递到左协同感应盘14、右协同感应盘12、协同导向盘4，会引起左阻隔体9与内横拉压柱7或者右阻隔体8与内横拉压柱7之间保偏光纤3的弯曲与拉压，此时，确定了因外界水压荷载及温度荷载联合作用下保偏光纤3庞加球上的不规则轨迹变化，再融合此时的空间双折射参量、模式耦合系数的多级变化，分析与剥离因温度变化导致的温度补偿效应，获取最为准确的结构受损信息，进而判别坝踵处应力是否超过其所能承受的数值，辨识是否存在病害，是否需要预警与维护，进而全面完成本专利的使用过程。

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 (9)

1.一种水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：包括保偏光纤、融载体模块、下双向触发模块、任意向触发模块和光组件模块；

所述融载体模块包括外载壳；所述外载壳上安装有用于与待测水工结构体固定的周向螺栓，该外载壳上还安装有左旋心、右旋心和卡扣柱；

所述任意向触发模块包括左协同感应盘、串联体和右协同感应盘；所述串联体连接左协同感应盘和右协同感应盘；所述左协同感应盘通过左固连柱与左阻隔体连接；所述右协同感应盘通过右固连柱与右阻隔体连接；

所述下双向触发模块包括内横拉压柱、内竖连导柱和协同导向盘；所述内横拉压柱与内竖连导柱相连接；所述内竖连导柱与协同导向盘连接；所述保偏光纤穿过内横拉压柱；

所述光组件模块包括激光器和背向Rayleigh散射接收器；所述激光器和背向Rayleigh散射接收器通过保偏光纤相连接；

所述融载体模块通过卡扣柱与下双向触发模块相连接；所述任意向触发模块通过左旋心和右旋心与融载体模块连接；所述保偏光纤依次通过并连接光组件模块、融载体模块、任意向触发模块和下双向触发模块；

当待测水工结构体产生应力，协同导向盘沿左右方向水平运动，带动内横拉压柱水平运动，内横拉压柱分别与左阻隔体或右阻隔体之间距离发生变化，保偏光纤的弯曲和拉压特性发生变化。

2.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述左阻隔体和右阻隔体为多联合结构式；所述左阻隔体和右阻隔体的内端层为多孔细纹空芯结构，中层为柔性全密闭复合材料结构，外端层为硬质抗腐蚀不锈钢结构。

3.根据权利要求2所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述保偏光纤依次顺序穿过左阻隔体、内横拉压柱和右阻隔体；所述左阻隔体和右阻隔体最外层的硬质抗腐蚀不锈钢结构采用能够对保偏光纤多级分段定位的钢丝绳。

4.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述内横拉压柱的最内层为柔性复合材料结构，次内层为表面细纹结构，次外层为柔性复合材料结构，最外层为能够对穿过内横拉压柱的保偏光纤进行柔性保护的抗腐蚀不锈钢结构。

5.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述左协同感应盘可绕左旋心360°转动；所述右协同感应盘可绕右旋心360°转动；所述左协同感应盘和左旋心可沿着串联体左右水平方向移动。

6.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述协同导向盘不能转动，该协同导向盘通过卡扣柱可在外载壳上沿左右方向水平移动。

7.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述周向螺栓采用布置在外载壳四个边角上的带螺栓结构。

8.根据权利要求1所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，其特征在于：所述外载壳的外缘四周采用圆弧形结构。

9.根据权利要求1至8任一项所述的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置的感测方法：其特征在于，感测方法包括以下步骤：

第一步，考虑水工程病害类型、需要监测的部位、区域大小，确定需要配置的水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置数量，并基于水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置，确定保偏光纤的长度以及待测水工结构体处左阻隔体与内横拉压柱之间的量程以及右阻隔体与内横拉压柱之间的量程；

第二步，将保偏光纤依次顺序穿过左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体，待保偏光纤位置水平固定后，通过拧动左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体上的钢丝绳，使得保偏光纤依次固定在左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体上；

第三步，将处于外载壳两侧的保偏光纤一端连接偏振激光器端，另一端经过背向Rayleigh散射接收器，固定好初始化位置处的左阻隔体、内横拉压柱、右阻隔体；

第四步，通过外载壳四个边角的周向螺栓，按照不同的角度及多级串联与并联路线，将水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置固定于待测水工结构体处，通过确定布设的个数，通过保偏光纤将多个水工程保偏光纤背向Rayleigh散射多参量智慧感测装置进行串并连，完成初始化数据采集；

第五步，当待测水工结构体受到外界作用传递到左协同感应盘、右协同感应盘、协同导向盘时，会引起左阻隔体与内横拉压柱或者右阻隔体与内横拉压柱之间保偏光纤的弯曲与拉压，引起保偏光纤庞加球、空间双折射参量、模式耦合系数的多级联合变化，基于获得数据，与初始化数据进行差值比对分析，完成外界作用下的多源异构信息的有效监测。

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