船闸结构应变和应力分布式光纤监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提出船闸结构应变和应力分布式光纤监测装置，包括分布式传感光缆、数据采集设备、数据处理与分析模块；分布式传感光缆以与主筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层的顶、底或内、外表面构成U字形回路；分布式传感光缆以与主钢筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层混凝土浇筑完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-10cm；传感光缆将随钢筋混凝土结构产生同步变形，光纤传感器产生相应的应变；在闸首顶部建立数据采集站点，将所敷设的传感光缆线路通过光缆连接数据采集站点。
【专利说明】船闸结构应变和应力分布式光纤监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于水运工程监测【技术领域】，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的船闸主体结构应变、应力的监测系统。
【背景技术】
[0002]我国水运工程基础设施正处于大规模建设时期，大型混凝土结构在船闸等水运工程中也得到了越来越广泛的应用。由于船闸等水运工程结构复杂、施工难度较大，因此为了保证构筑物安全，需要在施工以及运行期间对重点部位的应变、应力状态进行监测。通过监测，可以准确获知其施工质量控制参数，了解结构关键部位的受力特征，对优化船闸工程结构的设计、施工和维护具有重要意义。
[0003]目前，在水运工程监测【技术领域】，特别是与船闸工程施工期监测相关的技术方法主要有沉降监测技术、土体测斜技术、地表沉降监测技术等，仪器设备多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等。这些技术方法均具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控，又因为传感器多为电阻式、压阻式、电容式，易腐蚀，难以实现长期监测。常规的监测技术多数仍不能实现实时监测，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。因此，有必要研究开发适用于新型船闸混凝土结构的实时监测方法和技术，以满足日益增长的船闸工程施工期和运营期安全监测的要求以及相关理论研究的需要。
[0004]基于布里渊光时域分析(BrillouinOptical Time-domain Analysis,缩写:B0TDA)和拉曼散射光时域反射(Raman Optical Time-domain Refectometry,缩写:R0TDR)的分布式传感技术是近年来国际上在光电信息领域兴起的尖端光纤传感技术，除了具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有分布式(超高密度连续测点)、实时在线测量、可直接测量光纤上任意点的应变和温度信息等优点；根据钢筋混凝土变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标。BOTDA和ROTDR分布式光纤传感技术已用于通讯、土木、能源、交通等领域，在桩基、隧道结构、边坡、基坑等监测方面也有大量工程应用。但由于船闸工程结构复杂、施工节点繁多，且分布式监测系统设计较为复杂，因此BOTDA技术还未在船闸工程中得到有效应用。
实用新型内容
[0005]本实用新型目的是，提出一种基于分布式光纤传感的，能长期、精确、系统监测船闸主体结构在施工期和运营期的应变、应力状态的方法及系统。
[0006]本实用新型技术方案是:基于分布式光纤传感技术的船闸结构应变和温度监测装置，其特征是包括分布式传感光缆、数据采集设备、数据处理与分析模块；分布式传感光缆以与主筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层的顶、底或内、外表面构成U字形回路；分布式传感光缆以与主钢筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层混凝土浇筑完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-lOcm ;传感光缆将随钢筋混凝土结构产生同步变形，光纤传感器产生相应的应变；在闸首顶部建立数据采集站点，将所敷设的传感光缆线路通过光缆连接数据采集站点。
[0007]分布式传感线路由紧套单模传感光缆和松套多模传感光缆组成，两根光缆并排沿主筋布置。紧套单模传感光缆用于应变测量，松套多模传感光缆用于温度测量。
[0008]数据采集设备包括布里渊光时域分析仪(BOTDA)和拉曼光时域反射仪(ROTDR)。BOTDA主要用于光纤应变分布的测量，ROTDR则用于光纤温度分布的测量。其中BOTDA信号解调仪空间分辨率为0.05m、测量精度为20 μ ε、测量长度可达80km ；ROTDR系统信号解调仪测量温度范围为-40-120°C、分辨率为±0.1°C、测量精度±0.5°C、空间分辨率lm、测量长度6km。分布式光缆信号解调仪的高空间分辨率和高精度有助于实现自动化远程监测和结构裂缝发育的超前监测预报。
[0009]数据处理与分析模块可以提取光纤应变数据和温度数据，对应变和温度进行位置校准、降噪，可以实现应变数据的温度补偿，结构应变、应力的计算，具有对原始数据和计算结果的存贮、显示，输出为指定格式的功能。
[0010]本实用新型具有以下有益效果:
[0011]1、本实用新型的监测装置，能够系统、长期、高精度、全分布式的监测船闸主体结构如闸首底板、输水廊道、闸室底板、导航及闸室墙等混凝土结构的应变、温度分布，通过进一步分析，可以得到结构的应力分布，全面的掌控船闸结构重点部位在施工期和运营期的受力特征；
[0012]2、本实用新型所涉及到的监测装置安装施工工艺简单，对主体工程施工几乎无干扰，且分布式传感器具有抗腐蚀、抗电磁干扰、信息量大等优点、可实现长期监测；克服现有方法只是部件的监控，本实用新型是全面全期监控，对应力应变的发展尤其清楚了然，更有利于对结构的整体和安全、寿命上更全面科学的评估。
[0013]3、本实用新型的监测方法不仅能够对结构关键部位进行监测，还可以将传感光缆按一定密度格网进行布置，监测相应区域内结构的应变和应力状态；
[0014]4、本实用新型所涉及的监测系统可通过解调仪设置，进行无人值守自动化监测和数据采集，同时，亦可通过网络控制解调仪进行数据采集、存储和传输，实现远程监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是船闸闸首底板光纤线路敷设示意图；
[0016]图2是船闸闸首输水廊道光纤线路敷设示意图；
[0017]图3是船闸闸室底板光纤线路敷设示意图；
[0018]图4是船闸闸室闸室墙光纤线路敷设示意图；
[0019]图5是船闸结构变形分布式光纤监测系统示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明:
[0021]如图1-5所示，本实用新型所涉及的应用分布式光纤传感技术对船闸工程主体结构，包括闸首底板1、输水廊道3、闸室底板和闸室墙的监测装置由应变和温度传感光缆2及光信号解调仪组成，其中传感光缆的安装步骤为:
[0022](I)布设标示:在混凝土浇筑前，钢筋网完成铺设后，根据监测方案的设计要求，在钢筋网上标示传感光缆的布设线路。标示过程中需要测量各段传感光缆的铺设长度并做好相应记录，拐角位置需要考虑传感光缆的最小曲率要求。
[0023](2)传感器布放:沿着标示布放传感光缆，用胶布或扎带临时固定。放缆时注意传感光缆应保持在松弛状态，集各条光缆线路9沿结构钢筋敷设至闸首顶部，并预留2-5m自由长度用于线路集成及熔接跳线。
[0024](3)浇筑前固定:在混凝土浇筑作业即将开始前对传感光缆进行固定。固定方式为采用高强度PVC胶布逐点将光缆固定在钢筋网上。固定点的疏密程度取决于能否控制传感光缆的形态，固定过程中务必使传感光缆沿标示线直线布放。
[0025](4)拐角控制及缓冲保护:对于拐角位置，应满足传感光缆的最小曲率半径要求，在铺设固定时务必加密固定点，以保证该位置不会随着浇筑施工而产生移动。对于浇筑时易造成冲击的位置，可采用缠绕泡沫海绵等缓冲材料，形成一层缓冲层，以保护传感线路不受破坏。
[0026](5)节点熔接:待浇筑施工完成，具备熔接作业条件后，根据监测设计方案对需要熔接的节点进行熔接作业，形成传感网络，并将其接入传输光缆，组成监测体系。
[0027](6)线路保护:对于熔接节点、高危区段等容易造成线路损坏的位置根据实际监测对象及监测环境的具体情况，采取相应的保护措施。
[0028]传感光缆在船闸主体结构上布设位置说明:
[0029](I)闸首底板1:参见图1，温度和应变传感光缆以主筋绑扎的方式敷设于闸首底板钢筋混凝土结构顶、底表面构成U字形回路；光缆在顶、底表面上下对齐，并敷设于底板长向几何尺寸中央；在顶、底表面过弯处，附于弯曲弧度较大的钢筋，并加密绑扎，保护光缆；浇筑混凝土完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-lOcm为宜；底板混凝土出口位置的光缆缠绕保护膜以加强界面保护，并沿钢筋混凝土结构外壁敷设至闸首顶部。
[0030](2)输水廊道3:参见图2，温度和应变传感光缆以主筋绑扎的方式敷设于输水廊道顶部倒角位置；传感光缆以U字形回路敷设在输水廊道顶部倒角的上沿4和下沿，并沿上部空箱混凝土外壁敷设至闸首顶部，浇筑混凝土完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-10cm 为宜。
[0031](3)闸室底板5:参见图3，温度和应变传感光缆以主筋绑扎的方式横向敷设于闸室底板上下表面，构成U字形回路6，浇筑混凝土完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-10cm为宜；传感光缆沿一侧闸室墙敷设至闸首顶部。
[0032](4)闸室墙7:参见图4，温度和应变传感光缆以主筋绑扎的方式横向敷设于闸室闸室墙底部以上lm、l.5m位置构成U字形回路8 ;浇筑混凝土完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-lOcm为宜；光缆沿靠近闸首位置的闸室墙敷设至闸首顶部。
[0033]光纤应变、温度、温度补偿以及结构应力的计算方法:
[0034]布里渊光时域分析(BOTDA)技术基于受激布里渊散射原理，利用了光纤中的布里渊散射光频率变化量与光纤轴向应变、环境温度之间的线性关系来实现传感，该关系可以表示为
[0035]Vb ( ε，T) = Vb ( ε 0, T0)-Ks ( ε - ε 0) -Kt (T-T0)
[0036]式中，VB( ε 0，T0)，VB( ε，Τ)分别为测试前、后光纤中布里渊散射光的频移量；ε 0，ε分别为测试前、后光纤的轴向应变值；Ttl, T分别为测试前、后的温度值。比例系数Ke和Kt的值分别约为0.05ΜΗζ/ μ ε和1.2MHz/°C。为了准确获知结构在荷载作用下的应变和应力，必须对传感光缆进行温度补偿。ROTDR测温技术以光脉冲来照射纤芯，光注入到光纤中，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射，拉曼散射光包含两个分量。频率较高的为反斯托克斯光，频率较低的为斯托克斯光。斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比和温度具有如下的关系:
j /一 hcv
[0037]R(T) = I=丄 Qw
h⑷
[0038]式中，R(T)为待测温度的函数；Ia为反斯托克斯光强；Ib为斯托克斯光强；va为反斯托克斯光频率；vb为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼平移量；h为普朗克常数；1(为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。结合光时域反射技术，可以实现基于拉曼散射的分布式温度传感。当温度发生变化时，需对对不同温度下的应变按下式进行温度补偿，以去除环境温度变化对应变监测结果的影响:
[0039]E = Mf:—I)■Z■Mfi!—Ig)_Z__I_^
I
■SB'
[0040]式中，参数含义同上。结构任意一点应力计算公式为:
[0041]P1= S1E
[0042]式中，P1为结构应力，ε i为结构对应位置应变，E为结构材料弹性模量。
[0043]本实用新型基于分布式光纤传感技术监测船闸主体结构应变、应力和温度，将温度和应变传感光缆敷设于船闸主体结构，包括闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层；混凝土浇筑完成，待混凝土水化热完全释放、混凝土初凝之后，采集监测初值；之后，在混凝土养护期以及各个施工阶段，根据施工节点采集传感光缆数据，当结构产生变形，传感光缆将随钢筋混凝土结构产生同步变形，光纤传感器产生相应的应变，利用ROTDR测得的温度数据对应变传感光缆进行温度补偿，做差计算后就得到对应工况作用下钢筋混凝土结构的应变分布。船闸结构中各条光缆串联，由BOTDA布里渊光时域分析技术和ROTDR拉曼光时域反射技术同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，从而实现对船闸结构重点部位的实时、自动化、分布式监测。
【权利要求】
1.船闸结构应变和应力分布式光纤监测装置，其特征是包括分布式传感光缆、数据采集设备、数据处理与分析模块；分布式传感光缆以与主筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层的顶、底或内、外表面构成U字形回路；分布式传感光缆以与主钢筋绑扎的方式敷设于船闸的闸首底板、输水廊道、闸室底板、闸室墙钢筋混凝土表层混凝土浇筑完成之后，传感光缆距离混凝土表面5-lOcm ;传感光缆将随钢筋混凝土结构产生同步变形，光纤传感器产生相应的应变；在闸首顶部建立数据采集站点，将所敷设的传感光缆线路通过光缆连接数据采集站点。
2.根据权利要求1所述的船闸结构应变和应力分布式光纤监测装置，其特征是分布式传感线路由紧套单模传感光缆和松套多模传感光缆组成，两根光缆并排沿主筋布置，紧套单模传感光缆用于应变测量，松套多模传感光缆用于温度测量。
【文档编号】G01B11/16GK203981124SQ201320717626
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】张丹, 宋占璞, 方海东, 魏广庆, 施斌, 翟剑峰, 童恒金, 徐亮 申请人:南京大学, 江苏省交通规划设计院股份有限公司, 苏州南智传感科技有限公司