一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置

1.本实用新型属于结构健康监测技术领域，尤其涉及一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置。


背景技术：

2.随着城市大批基础设施的规划和建设，我国成为全球经济发展最为迅速、工程建设规模最大的地区。在此背景下，人们对建筑工程的质量要求不断提高。现代工程面临着难点多、难度高和投入大等问题，建筑结构朝着超高层、大空间和大跨度方向发展。因此，人们对其安全要求也逐步提高。然而，在建筑使用阶段，因受力作用、疲劳效应、环境温湿度、老化腐蚀等诸多因素，许多安全事故在出现之前就已呈现许多征兆，结构损伤和抗力性能下降，都会导致灾难性事故发生。目前，钢梁结构为建筑的骨架结构，广泛应用于土木工程中。在事故发生之前，建筑钢梁都会出现裂纹。因此，对钢梁裂纹的监测研究具有重大意义。
3.目前的结构健康监测技术主要有地面监测法、地面摄影测量法、gps变形监测和卫星遥测技术等，然而，这些方法不仅成本高，且仅能对表面进行健康监测，无法对内部健康进行有效监测。光纤传感器以其体积小、精度高、抗电磁干扰，远程测量等优点脱颖而出，已作为结构健康监测的首选敏感元件。目前用于结构健康监测的光纤传感器主要有三种，分别为法布里
‑
珀罗(fabry
‑
perot)腔干涉型传感器、光纤光栅(fg)传感器和布里渊散色(brillouin scattering)传感器。相比之下，布里渊散色传感器不仅结构简单，还能够实现远程和分布式测量。
4.布里渊时域分析(brillouinopticaltime
‑
domain analysis,botda)技术，作为布里渊散射的一种，已经广泛应用于结构健康监测，具有高灵敏、长距离和分布式等优点。然而，目前基本通过单模光纤布里渊峰值变化检测来实现裂缝监测。这种方法存在两个弊端，第一，单模光纤本身是纤芯掺杂锗离子的全内反射波导结构，当温度过高时，离子的热运动会导致波导结构失效。第二，外界的扰动会很大程度造成峰值的不稳定，从而无法精确预测裂纹。因而，研究使用特殊光纤取代单模，并改进测量方法进行钢梁结构健康监测显得尤为重要。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置，用botda应变分析仪所获得的布里渊应变频谱，通过分析裂纹部分所对应的布里渊应变频谱的峰值面积比例来预测裂纹，具有测量精度高、抗干扰性强和铺设简单等优点。
6.一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置，包括待测传感光纤，所述待测传感光纤为光子晶体光纤，光子晶体光纤外部由环氧树脂粘合胶包裹，沿钢梁的长度方向粘贴在钢梁上表面，光子晶体光纤与botda应变分析仪电连接，钢梁底部设置有支架；钢梁两端部设置有挂钩；在钢梁的连接处布置光纤光栅。
7.本实用新型的有益效果是：
8.考虑到单模光纤掺杂锗离子，当温度过高时，离子的热运动会导致波导结构失效，会导致无法探测布里渊信号；本实用新型提出用特殊光纤取代单模进行钢梁结构健康监测。用于钢梁裂缝监测所使用的光纤为光子晶体光纤。光子晶体光纤的包层是有规则光子晶体结构空气孔组成，对经过纤芯的光具有较强的限制能力，因此，光子晶体光纤比普通光纤不仅具有更窄的布里渊散色线宽，比传统单模光纤中高2个数量级的布里渊增益，有利于对布里渊信号的探测。此外，光子晶体光纤的包层结构可分离出另一个传感参量，可以用于扩展新的传感功能，提高检测系统的可靠性与可扩展性。
9.本实用新型通过标定钢梁两端施加应力与光纤应变的关系，以及分析裂纹部分所对应的布里渊应变频谱的峰值面积比例，监测钢梁裂缝位置及变化趋势。当钢梁出现裂纹时，待测传感光纤的布里渊应变频谱在裂纹所对应的位置出现峰值。裂纹增大时峰值变大，所对应的峰值面积也随之增大。通过探测峰值区域的面积更易于预测裂纹的宽度。
附图说明
10.图1为本实用新型实施例提供的能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置的示意图；
11.图2为本实用新型实施例提供的15m长钢梁上的光子晶体光纤应变分布曲线；
12.图3为图2的光子晶体光纤应变分布曲线中峰值一的布里渊面积计算变量示意图；
13.图4为本实用新型实施例提供的裂纹一的光纤光栅测量值与布里渊峰值面积的变化曲线；
14.图5为本实用新型实施例提供的裂纹二的光纤光栅测量值与计算值的比较点图；
15.其中，
[0016]1‑
botda应变分析仪，2
‑
待测传感光纤，3
‑
环氧树脂粘合胶，4
‑
钢梁，5
‑
支架，6
‑
光纤光栅。
具体实施方式
[0017]
为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案和效果作详细描述。
[0018]
如图1所示，一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置，包括待测传感光纤2，所述待测传感光纤2为光子晶体光纤，光子晶体光纤外部由环氧树脂粘合胶3包裹，沿钢梁4的长度方向粘贴在钢梁4上表面，光子晶体光纤与botda应变分析仪1电连接，钢梁4底部设置有支架5，支架5从底部支撑钢梁4；钢梁4两端部设置有挂钩，用于悬挂铁桶，向铁桶中装不同重量的沙土，从而实现不同力的大小的施加；在两段钢梁4的连接处安装光纤光栅6用以测量裂纹宽度。本实施例中钢梁4总长度为15m，共三段钢梁、两处钢梁连接处，两处钢梁4的连接处分别在距离钢梁4两端部4.6m的位置，在钢梁4的连接处布置光纤光栅6，分别光纤光栅一和光纤光栅二。
[0019]
以上述长度为15m的钢梁4为例，叙述一种能监测钢梁4裂缝的分布式光纤传感装置的监测方法，并进行验证，具体包括以下步骤：
[0020]
步骤一：在钢梁4两端的挂钩处悬挂铁桶，向桶内依次加入不同重量的沙土，使梁左端或右端施加的应力分别为98n、196n、294n、392n，由于不同的机械特性，两段钢梁4的连
接处可产生不同宽度的裂纹，本实施例中两处钢梁4的连接产生裂纹，分别为裂纹一和裂纹二；
[0021]
步骤二：记录通过光纤光栅6测得的钢梁4施加上述四次应力产生的裂纹测量值：光纤光栅一测得的裂纹一为fbg1＝(30μm、60μm、80μm和110μm)，光纤光栅二测得的钢梁4裂纹二为fbg1＝(39μm、80μm、130μm和190μm)；
[0022]
步骤三：通过botda应变分析仪1的botda采集技术，采集出覆盖在钢梁4上的光子晶体光纤的应变分布，如图2所示，为本实施例提供的15m长钢梁4上的光子晶体光纤应变分布曲线，应变曲线在裂纹位置产生峰值，裂纹一的峰值为峰值一，裂纹二的峰值为峰值二，本实施例中两处裂纹的布里渊峰值面积如图2中δ
cod1
和δ
cod2
所示，峰值面积δ
cod
即裂纹宽度可表示为：
[0023][0024]
其中，ε
i
为第i个采样点的应变，ε
f
为峰值与峰值间平缓区域的应变平均值，δs为分辨率，l为光纤形变产生峰值的长度，n＝l/δ
s
为采样点个数，具体如图3本实施例中峰值一的布里渊峰值面积计算变量所示。
[0025]
本实施例中δs选取2.5cm，通过公式(1)计算可求出的峰值一和峰值二的布里渊峰值面积分别为δ
cod1
＝(25.47,57.27,89.21,139.5)和δ
cod2
＝(24.16,68.99,105.26,229.85)；
[0026]
步骤四：确定光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积的变化曲线，如图4所示为裂纹一的光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积的变化曲线，可以看出光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积呈较好的线性关系，拟合出裂纹一的光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积的关系为δ
fbg1
＝y＝0.6847x+1.6605，线性回归决定系数为r2＝0.9635；
[0027]
步骤五：基于裂纹一的光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积的关系曲线，可计算钢梁4裂缝二的位置、变化趋势及裂纹宽度。
[0028]
通过裂纹一拟合出的光纤光栅6测量值与布里渊峰值面积的关系，计算峰值二的布里渊峰值面积与峰值一的布里渊峰值面积比值为λ＝δ
cod2
/δ
cod1
，则裂纹二的计算值为δ
fcod2
＝λ*δ
fbg1
，可计算得出裂纹二在上述压力值下的裂纹计算值。
[0029]
为了验证上述方法的可行性，将上述计算结果与光纤光栅二测得的裂纹二的测量值进行比较，如图5所示为裂纹二的光纤光栅6测量值与计算值的比较点，可以看出裂纹二的光纤光栅6测量值与计算值呈相同的变化趋势。计算值与光纤光栅6测量值的平均误差eorror为：
[0030][0031]
其中，i为计算次数，δ
fbg2
为裂纹二的光纤光栅6测量值。通过计算，结果表明平均误差值仅为9.5％。因此，利用此方法可测量裂纹的位置和宽度。