CN201322604Y

CN201322604Y - 全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统

Info

Publication number: CN201322604Y
Application number: CNU2008202117363U
Authority: CN
Inventors: 周智; 何建平; 欧进萍
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2018-12-19

Abstract

本实用新型提供了一种全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，即将布里渊分布式传感技术(BOTDA(R))与高精度光纤光栅(FBG)传感技术通过裸光纤与光纤光栅共线合二为一构建FBG－BOTDA(R)智能传感系统。它包括布里渊传感解调仪器、光纤光栅解调仪、光开关和支持该系统的FBG－OF－FRP传感探头。本实用新型克服了传统单点监测方法和技术无法满足大型结构的变形和位移监测要求，更不能满足损伤(大变形、位移等)监测、定位与分析的需要，可以通过系统布里渊传感模块对结构进行全尺度监测，对结构损伤定性(定位)；通过光线光栅模块对结构易损或关键位置进行高精度、实时监测，对损伤定量分析。该系统具有传感探头布设简单、造价低以及可操作性强等优点。

Description

全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统

(一)技术领域

本实用新型涉及智能监测领域。具体涉及的是一种全尺度布里渊分布式与局部高精度光纤光栅共线的光纤传感方法与技术。

(二)背景技术

重大基础设施，如大型建筑结构、桥梁隧道、天然气和石油管道、高速公路等结构物，在各种荷载和外部环境的共同作用下会发生累积疲劳损伤。但这些损伤具有范围大、距离长、监测部位隐蔽等分布式特点，以致传统的单点式和准分布式监测手段难以胜任。分布式光纤传感技术是上世纪70年代后期发展起来的一项新技术，其中基于瑞利散射和拉曼散射原理的分布式传感技术研究已经比较成熟，但是基于布里渊散射技术的分布式传感技术在应变、温度测试精度和空间分辨率方面远远高于其它分布式传感技术。自从1989年，Horigchui和Culverhouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性实现分布式温度和应变传感以来，利用布里渊散射光来检测光纤沿线应变和温度技术目前已成为一些发达国家如日本、加拿大和美国等国家竟相发展的课题，并取得了一些成绩。经过近10多年的发展，基于布里渊传感技术的应变、温度监测系统的空间分辨率已达到10cm，应变测试精度±6με，温度测试精度1℃，传感距离80公里。布里渊分布式光纤传感技术除具有普通光纤传感的如抗电磁场干扰、电绝缘性好、不受潮湿环境影响、耐久性好、耐腐蚀性好量轻、体积小、对结构影响小、绝对测量等优点外，其显著的特点是采用普通的单模光纤作为其敏感元件，传感探头成本低，此外可以准确测出光纤沿线上任一点被测量场在时间，空间上的分布信息，是真正意义上的大规模全分布式监测系统。利用这一技术可以方便对大型、超大型结构进行大规模全分布式的应变、温度监测。光纤光栅传感器具有测试精度高，准分布式测量、可实时监测等特点。综合局部高精度光纤光栅传感技术和布里渊分布式传感技术优点，将两者结合起来通过布里渊分布式传感对结构损伤定性分析和高精度的局部光纤传感器对结构损伤定量分析是解决智能监测领域高精度和分布式光纤传感共存问题的有效途径之一。在实际工程应用和实验室研究中，有相关研究学者将高精度的光纤光栅传感器与布里渊分布式技术简单组合在一起对结构进行应变监测，这种组合方式是一种机械式组合，即在结构上除布设分布式传感光纤外，另额外在结构一些重要位置布设高精度的局部光纤光栅传感器，该监测系统传感器布设相对困难、线路复杂以及布设成本高。将局部高精度光纤光栅传感技术通过光纤与FBG共线的方式直接和分布式光纤传感技术结合起来构建智能监测传感系统可以节约布设成本、传感传输线路简单以及可操作性强，适合工程化应用。目前，尚没有将光纤光栅传感技术和全尺度布里渊分布式合二为一构建智能传感系统的报道。

(三)发明内容

本实用新型的目的针对传统的单点监测方法与技术(FBG等)无法满足大型结构的变形和位移监测要求，更不能满足损伤(大变形、位移等)监测、定位与分析的需要，以及局部高精度和分布式传感不能有效共存的问题，提出了将布里渊分布式传感技术和局部高精度光纤光栅技术有效结合起来构建全尺度分布式和局部高精度共线的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器、光开关和支持该光纤传感系统的FBG-OF-FRP传感探头，光开关分别连接光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器和FBG-OF-FRP传感探头，光纤光栅解调仪器和布里渊分布式传感数据采集仪器分别连接中央处理器。

本实用新型还有这样一些技术特征：

1、所述的FBG-OF-FRP传感探头包括FRP筋，FRP筋中设置有光纤光栅和光纤，FBG-OF-FRP传感探头通过传输铠装跳线连接光开关；

2、所述的FRP筋中平行布设一根光纤和一根写入至少一个光纤光栅的光纤；

3、所述的FRP筋中布设一根写入至少一个光纤光栅的光纤；

4、所述的FRP筋的尾端露出一段铠装光纤连接其它光纤或在传感筋的一端将露出的尾纤熔接构成环路，并设置有保护装置；

5、所述的FRP筋在FBG-FRP-OF传感探头中位置与结构易损位置或关键位置相对应，FBG数量由监测要求确定。

本实用新型在一根任意长的普通单模光纤上写入一根或几根光纤光栅(命名为FBG-OF)，作为传感探头通过光开关同时接入光纤光栅解调仪和布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA或BOTDR解调仪)构成FBG-BOTDA(R)智能传感监测系统。

FBG-BOTDA(R)系统由光纤光栅(FBG)解调仪、布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))、光开关和传感探头FBG-OF组成.其中光纤光栅解调仪的主要功能是将FBG-OF中的光纤光栅中心波长解调出来；布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))的主要功能是将FBG-OF中的光纤的布里渊频移解调出来；光开关的作用是把FBG-OF接入光纤光栅解调仪或布里渊分布式传感数据采集仪以及增加系统的测试通道数。

基于上述思路，本实用新型构建的FBG-BOTDA(R)系统的工作流程是，在测试时，通过光开关将传感探头FBG-OF接入FBG-BOTDA(R)系统。每次测量时，要保证FBG-OF通过光开关只与FBG-BOTDA(R)系统中的其中一个解调设备连接。通过光开关的切换，FBG-OF就可以分别被光纤光栅(FBG)解调仪和布里渊分布式传感数据采集仪(BOTDA(R))解调出来，然后通过对应的应变灵敏度系数换算出测量的应变大小。需要说明的一点是，目前布里渊分布式传感解调系统(BOTDA或BOTDR)的工作波长是1550nm，光纤光栅解调仪的工作波长在1520～1570之间，在用光纤光栅解调FBG-OF时，需要FBG-OF完全断开与布里渊传感系统的光路，以免光路相互干扰。

为满足实际工程需要，克服裸光纤纤细轻柔、抗剪能力差，不能适应混凝土等结构粗放式生产方式与恶劣的服役环境的缺点，将FBG-OF直接复合到纤维增强塑料(FRP)中制成FBG-OF-FRP筋，FRP纤维增强塑料具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、无磁性、耐疲劳、易加工等优良特性，可以很好的保护裸光纤，提高传感探头的抗拉强度、耐腐蚀性、耐久性。针对BOTDR系统单端测量和BOTDA系统双端测量的要求，可以在FRP筋复合一根裸光纤OF和一根FBG-OF，FRP筋一端光纤用光纤熔接仪熔接构成环路，用特定装置保护，保护直径大于2.2cm，防止弯曲半径过小，造成光损耗大，影响测试精度。

本实用新型的最大优点，就是直接将全尺度布里渊分布式技术和局部高精度的光纤光栅技术通过光纤与FBG共线的方式有效的结合起来构建FBG-BOTDA(R)智能传感监测系统。该系统除传感探头布设简单、成本低等优点外，一方面克服了高精度光纤光栅监测方法与技术无法满足大型结构的变形和位移监测要求和损伤(大变形、位移等)监测、定位与分析的需要，在一定程度或范围内提高了布里渊传感应变测量的精度；另一方面，对于关键点位置监测，可以通过FBG解调仪实时监测，在一定程度上弥补了布里渊分布式监测系统采样频率低、实时性差的缺点。实际工程应用中，将FBG-OF-FRP智能筋安装在结构表面或内部，通过布里渊分布式技术的全分布式应变监测对结构损伤定性(定位)分析，通过局部高精度的光纤光栅对结构易损或关键部位的结构损伤定量分析，同时通过高精度的光纤光栅应变监测结果修正相应位置布里渊分布式传感应变监测结果。

(四)附图说明

图1是本实用新型的实施方案(或FBG-BOTDA(R)系统构建方案)结构示意图；

图2及图3是本实用新型的实施方案中传感探头FBG-OF-FRP筋的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细的描述：

结合图1是全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感系统。该系统包括FBG解调仪、BOTDA或BOTDR解调仪、光开关、传输铠装跳线1和中央处理系统(PC)。应变测量时，BOTDA(R)和FBG解调仪通过光开关切换分别解调FBG-OF-FRP传感器。通过BOTDA(R)测量系统可以对结构沿传感探头位置的应变进行全分布式监测，对结构损伤定位。通过FBG解调仪可以对结果易损或关键位置进行重点监测，对损伤定量分析。FBG在传感探头FBG-OF-FRP中的位置和数量可以根据实际工程监测需要确定，一般FBG在FBG-OF-FRP的位置与待监测结构的易损或关键位置相对应，即把FBG布设在结构的易损或关键位置，对关键位置进行重点、实时监测。图中：1-传输铠装跳线，2-光纤光栅(FBG)，3-裸光纤(OF)，4-FBG-OF-FRP传感探头。

图2以及图3是FBG-BOTDA(R)智能系统中FBG-OF-FRP传感探头的结构形式，组成部分包括纤维增强塑料(FRP)筋，在纤维增强塑料筋中沿长度方向布设有光纤OF和FBG-OF。本实用新型的产品可以采用这样的方法来制作：将光纤和刻有光纤光栅的光纤与泡过环氧树脂的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶等，一起送入拉拔模具，经过加热、固化、冷却三个热处理过程有机地构成一体。考虑光纤的封装保护，光纤作为中间束送入，成形后光纤正好处于纤维增强塑料的正中间。工程应用或试验需要时，可预先将一个或多个光栅写入光纤的某一位置。将加工成形的纤维增强塑料-光纤传感筋(FBG-OF-FRP)切割成任意所需的长度，根据结构监测对象制成各种不同形式的FBG-OF-FRP传感探头，并利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来，焊接到光纤跳线上即可。

FBG-OF-FRP传感探头的结构形式与大规模高耐久性BOTDA(R)-FRP-OF传感探头的结构形式基本相同，可以分为：表面粘贴式FBG-OF-FRP、端部扩径埋入式FBG-OF-FRP和筋式直接埋入式FBG-OF-FRP。具体结构形式参见发明专利：高耐久性大规模分布式布里渊纤维增强树脂探头及其制作方法(专利申请号：200710071650.5)。

本实施例应变测试特征(方法)为：应变测量时，传感探头FBG-OF-FRP通过光开关与光纤光栅解调仪器和布里渊分布式传感数据采集仪器其中一个连接，测量应变，然后切换光开关与另一仪器连接测量应变，用光纤光栅解调仪测量应变时，要使传感探头FBG-OF-FRP与布里渊分布式解调仪完全断开，防止光路干扰。

应变测量分析方法为：通过布里渊分布式传感技术测量传感探头沿线的应变，对结构进行损伤定位(定性分析)，全分布式监测；通过布设在结构易损部位的局部高精度FBG探头对易损部位重点、实时监测，对损伤定量分析通过高精度FBG应变测量数据修正相应位置处布里渊传感测量的应变值，减小由于布里渊系统由于空间分辨率带来的应变测量误差。

Claims

1、一种全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于它包括光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器、光开关和支持该光纤传感系统的FBG-OF-FRP传感探头，光开关分别连接光纤光栅解调仪器、布里渊分布式传感数据采集仪器和FBG-OF-FRP传感探头，光纤光栅解调仪器和布里渊分布式传感数据采集仪器分别连接中央处理器。

2、根据权利要求1所述的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于所述的FBG-OF-FRP传感探头包括FRP筋，FRP筋中设置有光纤光栅和光纤，FBG-OF-FRP传感探头通过传输铠装跳线连接光开关。

3、根据权利要求1所述的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于所述的FRP筋中平行布设一根光纤和一根写入至少一个光纤光栅的光纤。

4、根据权利要求1所述的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于所述的FRP筋中布设一根写入至少一个光纤光栅的光纤。

5、根据权利要求1所述的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于所述的FRP筋的尾端露出一段铠装光纤连接其它光纤或在传感筋的一端将露出的尾纤熔接构成环路，并设置有保护装置。

6、根据权利要求1所述的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统，其特征在于所述的FRP筋在FBG-FRP-OF传感探头中位置与结构易损位置或关键位置相对应。