CN1166921C

CN1166921C - 光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法及装置

Info

Publication number: CN1166921C
Application number: CNB021389802A
Authority: CN
Inventors: 周祖德; 梁磊; 王立新; 何伟; 胡文彬; 姜德生
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan Ligong Guangke Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: CN1400451A

Abstract

一种光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法，在被监测的锚索中置入光纤光栅；准分布的多个光纤光栅分别感受锚索钢绞线沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，送至二次仪表；由二次仪表计算出锚索准分布的各个测点的应力应变的大小及整个锚索分布状态。根据该方法设计的监测装置包括多点分布的光纤光栅、传输光纤、光纤光栅解调器和二次仪表，其中，由多个光纤光栅形成一个准分布式光纤光栅传感系统，再通过传输光纤与光纤光栅解调器连接，该光纤光栅解调器通过数据线与二次仪表连接。本发明可对锚索进行长期、稳定、无须定时跟踪的检测。

Description

光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种信号检测技术，特别是涉及一种针对光纤光栅锚索的长期工作状态进行监测的方法及装置。

背景技术：

在水利、水电、建筑、交通等行业中，现在广泛采用预应力锚固技术解决工程中的关键技术难题。所谓预应力锚固(锚索)技术，就是通过特殊的工艺将高强钢材、钢丝、钢铰线变成长期处于高应力状态下的受拉结构，从而增强被加固岩体的强度，改善岩体的应力状态，提高岩体的稳定性。目前，预应力锚固技术已广泛用于地下洞室围岩加固、边坡工程加固、结构抗倾覆及深基坑支挡工程等领域。据不完全统计，国内外各类岩土锚杆锚索已达600余种，锚杆、锚索年使用量超过2.5亿根。工程实践证明，该项技术具有造价低、施工建设快、干扰少及充分发挥材料作用等优点，具有巨大的社会、经济价值。

预锚加固的实质是施加主动的锚固力：一方面使岩体的结构得到加强，大大提高岩体的承载能力，另一方面，在岩体内产生预锚附加应力场，使不利的应力状态得到调整和改善，从而提高岩体稳定的可靠度。然而，锚索预应力损失是制约锚固技术发展的重要因素，预应力会伴随岩体的变形而变化。在锚索张拉初期，预应力即发生一定的损失；在使用过程中，预应力将伴随岩体中的温度、岩体蠕变、钢绞线松驰及地下水等因素的变化而变化。而预应力锚固作用机理复杂，影响预应力锚固效果的因素众多，因此预应力的长期荷载变化一直是国内外工程界关注的焦点。但由于其所需观测时间长，费用高，测量仪器性能无法满足要求等，国内也不得不采用通过增长单锚锚固长度、增加群锚的锚索总数、并采用定期更换锚索的方法等来加大保险系数。这样不仅造成锚索巨大浪费，而且也无法确保工程安全。在“八五”攻关研究项目中，由国家电力公司主持，结合岩质边坡工程的加固，对预应力锚索的锚固机理进行研究，但主要采用电阻应变片测量不同位置钢绞线的应变；对锚索的长期预应力变化仍沿用过去的在锚固端安装测力环的办法进行监测。但是这两种测量手段无法全面了解锚索钢绞线的应力分布状态，长期监测稳定性效果差，灵敏度低，产生这种问题的原因，一方面是由于与锚索直接联系的对象是复杂多变的岩土体，锚索埋在岩土体中，工作条件十分恶劣，对传感器的防水、防潮、防裂、防腐的要求高。这给锚索的监测和研究带来很大的困难，也直接影响了仪器的可靠性和使用寿命。另一方面是锚索的破坏机制复杂，目前还没有一种锚索监测仪器能较全面地反映出这种破坏机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服现有技术缺陷的光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法及装置，应用光纤光栅传感技术作为锚索系统的传感神经系统，将能与锚索变形相匹配的光纤光栅传感结构，埋置于起保护作用的光纤预制件中，再将该光纤预制件作为绳芯绞合在钢绞线内；或者埋置在锚索外表钢绞线上，这样，由锚索的变形及温度、环境、静态或动态负载所引起的应力分布变化使准分布的多个光纤光栅在沿线各分布点的的反射光波长发生改变，通过探测其波长改变量的大小而实现对锚索的实时跟踪测量，及时输出锚索的不同部位应变的大小和随时间的变化规律，并完成对锚索的安全监测和整体性评价。

本发明的目的是这样实现的：一种光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法，其特征在于：

1)在被监测的锚索中置入光纤光栅；

2)准分布的多个光纤光栅分别感受锚索钢铰线沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；

3)通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，送至二次仪表；

4)由二次仪表计算出锚索准分布的各个测点的应力应变的大小及整个锚索分布状态。

本发明的光纤光栅锚索长期工作状的监测装置包括置入被监测的锚索中的多点分布的光纤光栅、传输光纤、光纤光栅解调器和二次仪表，其中，由多个光纤光栅形成一个准分布式光纤光栅传感系统，再通过传输光纤与光纤光栅解调器连接，该光纤光栅解调器通过数据线与二次仪表连接。

通过国内外的研究和工程实践证明：光纤光栅分布传感技术是传感技术发展的新阶段。光纤光栅传感技术是通过对在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布喇格波长的检测(如图1所示)，实现被测结构的应变和温度量值的测量的技术。光纤光栅不仅具有光纤的小巧、柔软、抗干扰能力强，集传感与传输于一体，易于制作及易于埋入材料内部等特征，同时还具有波长分离能力强、传感精度和灵敏度极高、能进行精确定位和可以实现绝对数字测量的优点；特别是它可实现分布传感，即在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同的布喇格波长的光栅，在光纤一端实现所有光栅信号的检测，而且能进一步集合成分布传感网络系统，可广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数的实时、在线、分布式检测，以及对结构徐变、裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测，使其能够测量外部荷载以及工程结构本身对荷载的响应。因而被作为当今工程结构中首选的传感方式，实现对结构内多目标信息的监控和提取。

应用光纤光栅传感技术为智能锚索系统的开发提供了优良的感知和传输为一体的传感神经系统。由于光纤极为纤细轻巧，对锚索结构不会造成力学性能方面的影响，此外，本发明还是一种绝对的数字式测量方式，无须实时跟踪也能长期监测；具有长期稳定性好、抗腐蚀、抗干扰、传输距离远等特点。该项发明将有效促进对锚索锚固机理的认识，解决长期困扰工程技术人员的补张拉、锚索运行状态监测和加固工程的稳定状态评价等技术问题，保证工程的长期稳定和安全。

附图说明

图1：为光纤光栅传感传感原理示意图

图2：为锚索波域分布式传感原理示意图

图3：为光纤光栅分布传感装置在锚索中的安装分布示意图

在图3中附图标记说明如下：

1.含有多点分布式光纤光栅的Φ0.9mm单芯光纤光缆 2.Φ5mm钢绞线3.充填保护材料 4.细钢管 5.传输光纤 6.多芯光缆7.锚索用光纤光栅解调器 8.二次仪表9.含有多点分布式光纤光栅的Φ0.9mm单芯光纤光缆

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

图1为光纤光栅传感监测装置的制作及传感原理示意图。本发明的锚索(锚杆)长期工作状态(应力、应变)的光纤光栅传感监测装置的基本构成方式，是将能与锚索变形相匹配的光纤光栅写入起保护作用的光纤预制件中，再将该光纤预制件作为绳芯绞合在钢绞线内；或者埋置在锚索外表钢绞线上(利用两股钢丝之间的小槽，对光纤起保护作用)。具体而言，首先要根据锚索的应变分布情形确定其相应位置处光纤光栅各个测点的波长，从而确定其输入光谱。而由于锚索的变形及温度、环境、静态或动态负载所引起的应力分布变化令准分布的多个光纤光栅在沿线各分布点的的反射光波长发生改变，从而生成相应的传输光谱和反射光谱，通过探测其波长改变量的大小而实现对锚索的实时跟踪测量，来实现对锚索的监测。即在锚索中设置一个感知和传输系统，及时输出其不同部位应变的大小和随时间而产生的变化规律。

如图2所示，准分布的多个光纤光栅分别感受锚索钢铰线沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，由二次仪表计算出锚索准分布的各个测点的应力应变的大小及整个锚索分布状态。

因此，本发明中的光纤光栅传感监测方法是采用“准分布式的光纤光栅传感”技术来对锚索进行长期、稳定、无须定时跟踪的监测，其具体实现步骤是：

1)确定锚索的应变分布：依据具体锚索结构和工程应用情况，确定测量点的(n)和测量分布方式，粗估各点应变的值，推算出整个锚索的应变分布概况。

2)确定各测点处光纤光栅的波长：根据锚索粗略的各点应变分布状态，特别是各点的应变的最大值，将各测点的位置与对应处的光纤光栅的波长相对应(λ₁.....λn，下标为各测点标号)，且保证各测点的波长值，在各点应变达到最大值的极限情况下，各点的波长分布具有一定的间隔，一般为Δλ＝0.4～1.2nm左右。

3)确定光纤光栅解调器：依据对应测点最大应变变化值的光纤光栅波长的变化值Δλ₁.....Δλn，和各点的波长分布间隔大小(nxΔλ)，计算出所有测点的波长变化值和间隔值的总和，然后乘以相应的波长余额系数1.2～1.8，确定所需光纤光栅解调目的调制波长的定向范围，并结合锚索所需测量精度，选定一定型号的光纤光栅解调器。

4)确定光纤光栅传感灵敏度系数K：依据光纤光栅在锚索钢绞线固定的方式(焊接、粘则)，分布方式(外置、内嵌)，选定灵活度系数K值，并在二次仪表中进行设置，以保在二次仪表中换算出各种应变的大小。

5)锚索整体状态的确定：依据各点应变的大小，进行特定程序的运算，确定锚索整体应变状态分布，并对极限状态进行报警。

本发明中的光纤光栅锚索的长期工作状态监测装置如图3所示，它包括光纤光缆1、9、传输光纤5、充填保护材料3、细钢管4、多芯光缆6、光栅解调器7和二次仪表8等。其中：由多个光纤光缆1、9形成一个准分布式光纤光栅传感系统，并与传输光纤5相连，再通过多芯光缆6与光纤光栅解调器7连接，该光纤光栅解调器7则通过数据线与二次仪表8连接。

所述的光纤光栅解调器7的工作波长为1.30μm波段或1.55μm波段，工作波段范围大于30nm。光纤光栅采用248nm紫外光辐射相位掩膜板技术制作的线性均匀光纤光栅，其长度为5mm～12mm，反射率为90～99％，反射波段在1310或1550nm的波段。

所述监测装置的设置步骤包括：

1)准分布式光纤光栅传感系统系统的设计

a)根据锚固工程的锚索的力学分析，优化和确定测点数目和位置，进而确定光纤光栅传感系统的布置方式(外置式、内嵌式或者外置+内嵌式)、埋置方式(粘贴或焊接)。

b)计算光纤光栅解调器的工作波段范围：

若计算出的传感光栅工作波段超出解调器的工作波段范围，则可重新设计光纤光栅分布传感系统，采用多路光纤光栅传感系统来降低对光纤光栅解调器的工作波段范围要求。

c)光损失计算。根据整个光路的焊接点、联接点、分路器数目，计算整个光路的光强损失，以保证各光栅反射光的强度不小于发射光强的I_发射×3％。

2)光纤光栅传感系统的制备

a)依据各点的波长λ_i，制备出光纤光栅，其制备出光栅的反射波长的变化量，不能起出Δλ×35％。

b)计算光纤光缆1、9的余长的计算

为确保锚索中的光纤光缆1、9不会在锚索变形中断裂，则锚索中的传输光缆的总长l_光＝l_锚索/cosθ，l_锚素为光纤光栅传感系统在锚索中的直线工作长度，θ为锚索中钢丝的扭绞倾角θ＝2～5℃。

c)光纤光缆1、9与传输光缆(光纤)5的焊接、保护、封装

首先进行光纤光栅的封装及可能保证整个系统所用的光栅在同一批次进行封装，保证其传感的一致性，通过光纤自动焊接机进行光纤光栅与传输光缆的焊接，保证二者为同种型号的光纤，焊接损失小于1％，此外，还要对焊点进行再涂敷保护：其中内嵌式传感系统的光栅处采用φ0.5nm钢管4保护传感光纤，外置式传感系统的光栅处则采用φ0.9nm单芯光缆进行保护。

3)光纤光缆(1、9)上光纤光栅的粘贴或焊接

a)对于φ0.5nm钢管封装的光纤光缆(1、9)上的光纤光栅可采用激光微焊接技术进行焊接，对于粘贴式的光纤光缆1、9则采用快速固化粘接剂进行粘贴，在上述二种工艺中，要保证在相同工艺条件下焊接和粘贴，特别是要保证光纤光缆(1、9)上的光纤光栅焊接或粘贴后呈直线，且在固化过程中施加相同的预应力。

b)确定光纤光栅的灵敏度系数K

采用相同的工艺，将光栅光栅焊接(或粘贴)安装在试验索上，拉伸受力，确定灵敏度系数K。

c)将分布式光纤光栅传感系统的光纤光缆(1、9)上的光纤光栅粘贴(焊接)在锚索钢铰线的钢丝2上，然后在整个传感系统上涂覆保护的704胶或HP塑料，并接入Φ2.5mm单芯传输光缆传输光缆5。通过锚杯上的透气孔引出锚索，再接入多芯光缆6，该多芯光缆6再与远处监测室内的光纤光栅解调仪7和二次仪表8相连接。

4)系统的调试：

将整个系统安装完毕后，进行相关调试、检查。

a)首先检查整个光路是否相通。

b)采用加热的方式，检查测量各点的位置与光栅的波长相对应。

c)采用敲击钢索方法，检查测量各点的光栅是否粘贴或焊接牢固。

本发明中的锚索(锚杆)长期工作状态(应力、应变)的光纤光栅传感监测装置，主要用于锚索状态监测和该加固工程的稳定状态评价，它将光纤光栅传感器直接埋入锚索，来进行锚索状态的在线全程信号采集，再采用多种复用技术对光信号进行直接传输。从本发明的系统组成和功能来分析，它可以克服传统的监测手段对锚索监测的缺点，特别适合于锚索的内部应力分布及温度、环境、静态或动态负载引起的应力分布变化的实时跟踪测量，有利于锚索的安全监测和整体性评价，具有重大的社会效益和经济效益，特别是在我国更具有极特别的意义。

Claims

1，一种光纤光栅锚索长期整体工作状态的监测方法，其特征在于具体实现步骤是：

a、确定锚索的应变分布：依据具体锚索结构和工程应用情况，确定测量点(n)和测量分布方式，粗估各点应变的值，推算整个锚索的应变分布概况；

b、确定各测点处光纤光栅的波长：根据粗略的锚索的各点应变分布状态，特别是各点的应变的最大值，将各测点的位置与对应处的光纤光栅的波长相对应(λ₁…λ_n)，且保证各测点的波长值，在各点应变达到最大值的极限情况下，各点的波长分布具有一定的间隔；

c、将由所确定的光纤光栅置入每一根需要监测的锚索中；

d、确定光纤光栅解调器：依据对应测点最大应变变化值的光纤光栅波长的变化值(Δλ₁…Δλ_n)，和各点的波长分布间隔大小(n×Δλ)，计算出所有测点的波长变化值和间隔值的总和，然后乘以相应的波长余额系数1.2～1.8，确定所需光纤光栅解调器的调制波长范围，并结合锚索所需测量精度，选定相应的光纤光栅解调器；

e、确定光纤光栅传感灵敏度系数K，依据光纤光栅在锚索钢绞线定量的方式焊接或粘则，分布方式外置或内嵌，选定灵敏度系数K值，并在二次仪表中进行设置，以便在二次仪表中换算出各种应变的大小；

f、锚索整体状态的确定：

准分布的多个光纤光栅分别感受锚索钢铰线沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；

通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，送至二次仪表；

由二次仪表计算出锚索准分布的各个测点的应力应变的大小，确定锚索整体应变状态分布，并对极限状态进行报警。

2、一种光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：它包括置入被检测的锚索中的多点分布的光纤光栅、传输光纤、光纤光栅解调器和二次仪表，其中，由多个光纤光棚形成一个准分布式光纤光栅传感系统，其基本构成方式是将能与锚索变形相匹配的光纤光棚传感系统置入起保护作用的光纤预制件中，所述的光纤光栅传感系统为含有多点分布式光纤光栅的单芯光纤光缆(1、9)，再将所述的光纤预制件作为绳芯绞合在钢绞线内；或者埋置在锚索外表钢绞线上，利用两股钢丝之间的小槽，充填保护材料或者细钢管对光纤起保护作用，并与传输光纤相连，且通过传输光纤与锚索用光纤光栅解调器连接，光纤光栅解调器通过数据线与二次仪表连接；所述的单芯光纤总长度应满足l_光＝l_锚索/cosθ，其中：l_锚索为光纤光栅传感系统在锚索中的直线工作长度，θ为锚索中钢丝的扭绞倾角，θ＝2～5℃。

3、根据权利要求2所述的光纤光栅锚索长期工作状态的检测装置，其特征在于：所述的光纤光缆(1、9)上的光纤光栅传感系统被分别粘帖或焊接在锚索钢绞线的钢丝(2)内或外，通过锚杯上的透气孔引出锚索，接入多芯光缆(6)，该多芯光缆(6)与远处监测室内锚索用光纤光栅解调仪(7)和二次仪表(8)相连。

4、根据权利要求2或3所述的光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅是采用常温粘贴技术，激光微焊接技术，粘贴或焊接在钢丝表面或在钢丝预置的小槽内。

5、根据权利要求4所述的光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：所述的传输光缆(5)与所述的光纤光缆(1、9)为同种型号的光纤，并被装在保护套筒内或直接采用单芯光缆，所述的传输光缆(5)与所述的光纤光缆(1、9)上的光纤光栅焊接及封装应保证其在同一批次进行，焊接损失应小于1％，并对光纤上各焊点进行再涂敷保护。

6、根据权利要求5所述的光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：在所述的内嵌式传感系统的光纤光缆(9)处采用充填材料保护光缆。

7、根据权利要求6述的光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：对于φ0.5nm钢管封装的光纤光栅可采用激光微焊接技术进行焊接，对于粘贴式的光纤光栅采用快速固化粘接剂进行粘贴。

8、根据权利要求2的光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置，其特征在于：所述光纤光栅解调器(7)的工作波段长度大于30nm，其工作波长为1.30μm波段或1.55μm波段；所述光纤光栅采用248nm紫外光辐射相位掩膜板技术制作的线性均匀光纤光栅，其长度为5nm～12nm，反射率为90～99％，反射波段在1310或1550nm的波段。