CN117490778B - 用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离大跨度索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，包括矩形载体，在矩形载体的表面设有第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽，第一保偏光纤槽设置有分布式保偏光纤，第二保偏光纤槽内均设置有分布式保偏光纤，在矩形载体的表面的两侧设有咬合槽和补偿槽，补偿槽内设有松套传感光缆，咬合槽内设有多个串联的FBG传感器，在矩形载体沿第一保偏光纤槽的两侧面设有导向槽或导向块，相邻的矩形载体通过导向块和导向槽连接；在矩形载体的表面上插入有阻磁板，在阻磁板上安装有隔板。本发明通过先进的保偏光纤感知技术形成“未病”状态的诊断方法，实现对“未病”的精准诊断及早期预警，建立长距离大跨度索桁架体工程科学研究的新范式。
Description
技术领域
本发明涉及用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统及方法，属于结构安全领域。
背景技术
在大跨度的公共建筑、厂房建筑工程中,应用索-拱体系、索-桁架体系，具有结构尺寸小、屋面刚度大、结构变形小、结构重量轻、结构材料节省、造价低等优点。长距离大跨度索桁架体是一项规模庞大、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，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。本专利以长距离大跨度索桁架体为研究对象，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，构建“未病”临界状态的多数学模型，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结构工程应力应变温度等多参量化监测方面的实用性较差，存在只能有损下感测、需要施工期提前布设等严重阻碍传感光纤发展最核心的工程技术难题，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长距离大跨度索桁架体分布式保偏光纤无损监测系统，摒弃传统的传感光纤的使用，研发更高精度分布式长距离大跨度索桁架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长距离大跨度索桁架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：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统及方法，构建表征“未病”状态共性规律的力学、数学等机理体系，通过先进的保偏光纤感知技术形成“未病”状态的诊断方法，实现对“未病”的精准诊断及早期预警，建立长距离大跨度索桁架体工程科学研究的新范式。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统，包括矩形载体，在矩形载体的表面设有第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽，第一保偏光纤槽设置有分布式保偏特种光纤，第二保偏光纤槽内均设置有分布式保偏特种光纤，第一保偏光纤槽包含依次连接的第一左直槽、第一S弯槽和第一右直槽，第二保偏光纤槽包含依次连接的第二左直槽、第二S弯槽和第二右直槽，在矩形载体的表面的两侧设有咬合槽和补偿槽，补偿槽内设有松套传感光缆，咬合槽内设有多个串联的FBG传感器，在矩形载体沿第一保偏光纤槽的两侧面设有导向槽或导向块，相邻的矩形载体通过导向块和导向槽连接；在矩形载体的表面上插入有阻磁板，在阻磁板上安装有隔板；在矩形载体安装有多层基板，在每层基板上均设有永磁块，多层基板通过盖板将基板固定。
作为优选，所述补偿槽的一侧设有若干个弯带线，在咬合槽的一侧安装有钩孔，通过弯带线与钩孔的配合固定矩形载体。
作为优选，所述钩孔通过弹拉体与弯带线连接。
作为优选，所述咬合槽内为金属材质，且内层进行糙面处理，并将多个FBG传感器串联方式内贴于咬合槽内部。
作为优选，所述第一S弯槽、第二S弯槽、第一左直槽、第一右直槽、第二左直槽、第二右直槽的直径小于分布式保偏特种光纤的直径，且第一S弯槽、第二S弯槽、第一左直槽、第一右直槽、第二左直槽、第二右直槽为非金属材质且内层经过糙面处理。
一种用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统的监测方法，包括以下步骤：
第一步，基于长距离大跨度索桁架体的跨度尺寸，确定长距离大跨度索桁架体分布式保偏光纤无损监测装置的个数，将各个矩形载体连接成整体，在咬合槽内配置多个FBG传感器，将保偏特种光纤依次通过第一保偏光纤槽的第一左直槽、第二S弯槽、第二左直槽，将另一个保偏特种光纤依次通过第二保偏光纤槽的第一右直槽、第一S弯槽、第二右直槽；
第二步，对第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽的保偏特种光纤进行初始偏振特性检测、补偿槽内的松套传感光缆拉曼散射特性检测、咬合槽内配置的多个FBG传感器振动与定位检测；
第三步，根据长距离大跨度索桁架体的直径、需要监测的时间，配置锁绳是否需要切断，通过弹拉体、第三弯带线、第二弯带线、第一弯带线将用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统于待测长距离大跨度索桁架体处，后将隔板进行拆卸；
第四步，完成第一保偏光纤槽、第二保偏光纤槽内的保偏特种光纤、补偿槽内的松套传感光缆、咬合槽内配置多个FBG传感器进行第二次数据采集作为最基准的数值，在长距离大跨度索桁架体运行时，进行保偏特种光纤、多个FBG传感器、松套传感光缆的分布式感测、对比与分析。
在本发明中，钩孔位于矩形载体中间位置，且钩孔直径为拉孔直径尺寸的2倍，弹拉体和锁绳配置于钩孔内。弹拉体两个端点被锁绳固定，锁绳的开合决定了弹拉体是否被释放，长距离大跨度索桁架体的尺寸及需要监测的时间决定了锁绳的开合。补偿槽的材质为金属导热体且内侧进行光滑处理，补偿槽内配置松套传感光缆。矩形载体内配置永磁块，且永磁块为多层结构，可以根据长距离大跨度索桁架体的尺寸，决定配置永磁块的层数，永磁块的最外层配置有可拆卸的盖板，防止磁吸力过大导致无法有效布设定位。
在本发明中，第三弯带线、第二弯带线、第一弯带线平行布设，第三弯带线为弹性材质、第二弯带线为金属材质、第一弯带线为尼龙材质，针对长距离大跨度索桁架体的尺寸及监测周期长短，确定使用第三弯带线、第二弯带线、第一弯带线。
有益效果：本发明的长距离大跨度索桁架体分布式保偏光纤无损监测系统，其结构完整，流程化和自动化强，融合构建了咬合槽、弹拉体、锁绳、第一保偏光纤槽、第二保偏光纤槽、补偿槽、第一左直槽、第二S弯槽、第二左直槽、永磁块、第一右直槽、第一S弯槽、第二右直槽、续连杆、紧扣帽、第三弯带线、连折板、第二弯带线、第一弯带线、拉孔、钩孔、基板。咬合槽、补偿槽、第一保偏光纤槽、第二保偏光纤槽平行布设，永磁块通过拉孔与第三弯带线、第二弯带线、第一弯带线连接；本专利攻克了只能有损下感测、需要施工期提前布设等严重阻碍保偏光纤发展的工程应用难题，具有智能化、数字化、集成化和小型化优势，可实现多通道、多参量、多工况、多模块、多模式、多组配技术的分布式保偏光纤无损监测系统，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为本发明的主视示意图。
图2为两个矩形载体连接示意图。
其中：01-咬合槽；02-弹拉体；03-锁绳；04-第一保偏光纤槽；05-第二保偏光纤槽；06-补偿槽；07-第一左直槽；08-第二S弯槽；09-第二左直槽；11-第一右直槽；12-第一S弯槽；13-第二右直槽；14-导向槽；15-导向块；16-第三弯带线；18-第二弯带线；19-第一弯带线；20-拉孔；21-钩孔；22-隔板；23-阻磁板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统，包括矩形载体，在矩形载体的表面设有第一保偏光纤槽4和第二保偏光纤槽5，第一保偏光纤槽4设置有分布式保偏特种光纤，第二保偏光纤槽5内均设置有分布式保偏特种光纤，光纤为PM1550-XP，第一保偏光纤槽4包含依次连接的第一左直槽7、第一S弯槽12和第一右直槽11，第二保偏光纤槽5包含依次连接的第二左直槽9、第二S弯槽8和第二右直槽13，在矩形载体的表面的两侧设有咬合槽1和补偿槽6，补偿槽6内设有松套传感光缆，咬合槽1内设有多个串联的FBG传感器，在矩形载体沿第一保偏光纤槽4的两侧面设有导向槽14或导向块15，相邻的矩形载体通过导向块15和导向槽14连接；在矩形载体的表面上插入有阻磁板23，在阻磁板23上安装有隔板22；在矩形载体底部安装有多层基板，在每层基板上均设有永磁块，多层基板通过盖板将基板固定。
在本发明中，所述补偿槽6的一侧设有三个弯带线，分别为第一弯带线19、第二弯带线18和第三弯带线16，在咬合槽1的一侧安装有钩孔21，通过弯带线与钩孔21的配合固定矩形载体。
在本发明中，所述钩孔21通过弹拉体2与弯带线连接。所述咬合槽1内为金属材质，且内层进行糙面处理，并将多个FBG传感器串联方式内贴于咬合槽1内部。所述第一S弯槽12、第二S弯槽8、第一左直槽7、第一右直槽11、第二左直槽9、第二右直槽13的直径小于分布式保偏特种光纤的直径，且第一S弯槽12、第二S弯槽8、第一左直槽7、第一右直槽11、第二左直槽9、第二右直槽13为非金属材质且内层经过糙面处理。
一种用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统的监测方法，包括以下步骤：
第一步，基于长距离大跨度索桁架体的跨度尺寸，确定长距离大跨度索桁架体分布式保偏光纤无损监测装置的个数，将各个矩形载体连接成整体，在咬合槽1内配置多个FBG传感器，将保偏特种光纤依次通过第一保偏光纤槽的第一左直槽7、第二S弯槽8、第二左直槽9，将另一个保偏特种光纤依次通过第二保偏光纤槽的第一右直槽11、第一S弯槽12、第二右直槽13；
第二步，对第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽的保偏特种光纤进行初始偏振特性检测、补偿槽6内的松套传感光缆拉曼散射特性检测、咬合槽1内配置的多个FBG传感器振动与定位检测；
第三步，根据长距离大跨度索桁架体的直径、需要监测的时间，配置锁绳3是否需要切断，通过弹拉体2、第三弯带线16、第二弯带线18、第一弯带线19将用于长距离大跨度索桁架的分布式保偏光纤无损监测系统于待测长距离大跨度索桁架体处，后将隔板22进行拆卸；
第四步，完成第一保偏光纤槽、第二保偏光纤槽内的保偏特种光纤、补偿槽6内的松套传感光缆、咬合槽1内配置多个FBG传感器进行第二次数据采集作为最基准的数值，在长距离大跨度索桁架体运行时，进行保偏特种光纤、多个FBG传感器、松套传感光缆的分布式感测、对比与分析。
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 (10)
1.一种用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：包括矩形载体，在矩形载体的表面设有第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽，第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽内均设置有分布式保偏光纤，第一保偏光纤槽包含依次连接的第一左直槽、第一S弯槽和第一右直槽，第二保偏光纤槽包含依次连接的第二左直槽、第二S弯槽和第二右直槽，在矩形载体的表面的两侧设有咬合槽和补偿槽，补偿槽内设有松套传感光缆，咬合槽内设有多个串联的FBG传感器，在矩形载体沿第一保偏光纤槽的两侧面设有导向槽或导向块，相邻的矩形载体通过导向块和导向槽连接；在矩形载体的表面上插入有阻磁板，在阻磁板上安装有隔板；在矩形载体安装有多层基板，在每层基板上均设有永磁块，多层基板通过盖板将基板固定。
2.根据权利要求1所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述补偿槽的一侧设有若干个弯带线，在咬合槽的一侧安装有钩孔，通过弯带线与钩孔的配合固定矩形载体。
3.根据权利要求2所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述弯带线有三个，分别为第一弯带线、第二弯带线和第三弯带线。
4.根据权利要求2所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述钩孔通过弹拉体与弯带线连接。
5.根据权利要求4所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述弹拉体两个端点被锁绳固定，锁绳的开合决定了弹拉体是否被释放。
6.根据权利要求1所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述咬合槽内为金属材质，且内层进行糙面处理，并将多个FBG传感器串联方式内贴于咬合槽内部。
7.根据权利要求1所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述第一S弯槽、第二S弯槽、第一左直槽、第一右直槽、第二左直槽、第二右直槽的直径小于分布式保偏光纤的直径。
8.根据权利要求7所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述第一S弯槽、第二S弯槽、第一左直槽、第一右直槽、第二左直槽、第二右直槽为非金属材质且内层经过糙面处理。
9.根据权利要求1所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统，其特征在于：所述补偿槽的材质为金属导热体且内侧进行光滑处理。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，基于长距离大跨度索桁架体的跨度尺寸，确定用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统的个数，将各个矩形载体连接成整体，在咬合槽内配置多个FBG传感器，将分布式保偏光纤依次通过第一保偏光纤槽的第一左直槽、第二S弯槽、第二左直槽，将另一个保偏特种光纤依次通过第二保偏光纤槽的第一右直槽、第一S弯槽、第二右直槽；
第二步，对第一保偏光纤槽和第二保偏光纤槽的分布式保偏光纤进行初始偏振特性检测、补偿槽内的松套传感光缆拉曼散射特性检测、咬合槽内配置的多个FBG传感器振动与定位检测；
第三步，根据长距离大跨度索桁架体的直径、需要监测的时间，配置锁绳是否需要切断，通过弹拉体、第三弯带线、第二弯带线、第一弯带线将用于长距离大跨度的索桁架分布式保偏光纤无损监测系统配置于待测长距离大跨度索桁架体处，后将隔板进行拆卸；
第四步，完成第一保偏光纤槽、第二保偏光纤槽内的分布式保偏光纤、补偿槽内的松套传感光缆、咬合槽内配置多个FBG传感器进行第二次数据采集作为最基准的数值，在长距离大跨度索桁架体运行时，进行分布式保偏光纤、多个FBG传感器、松套传感光缆的分布式感测、对比与分析。
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