基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法与流程

本发明涉及混凝土裂缝监测技术领域，特别涉及一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法。

背景技术：

混凝土结构在建设和使用过程中出现裂缝是一种普遍现象，裂缝发展到一定程度，会加重混凝土碳化并降低其抗渗性能，进而破坏结构的整体性和安全性。作为评估裂缝危害性的重要手段，结构裂缝监测对保障结构安全具有重要意义。

目前裂缝监测技术主要有声发射法、超声波法和探地雷达法等，其中声发射法和超声波法需要异常灵敏的传感头，并易于受环境干扰的影响，且测试深度也有限；探地雷达法会受强电场的干扰，因此其使用场合会受到限制，测量误差会较大，且目前的裂缝监测方法只能进行定性监测，确定出裂缝的大概位置，无法测量裂缝的开度，同时，也只能进行单点测量，不能实现实时在线测量。

混凝土结构在出现裂缝时，裂缝的开展往往呈现出时空随机性、隐蔽性等特征，因此，除了裂缝的位置外，裂缝的扩展情况也极为重要，若能及时的监测出裂缝的具体位置、开度以及开展方向，则可以及时的对出现裂缝的混凝土结构进行补修，避免安全事故的发生，但是目前的监测技术无法测量出裂缝的开度和开展方向，难以实现对裂缝开度的发展过程的动态监测。

技术实现要素：

本发明提供一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，所述塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置、光纤环形器、光开关、监测单元、光电探测器、控制单元和数据处理单元；

控制单元与光脉冲发射装置电连接，光脉冲发射装置与光纤环形器的第一端通过光纤相连，光纤环形器的第二端与光开关通过光纤相连，监测单元包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤和第二塑料光纤，两根塑料光纤均与光开关相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线上，且两根塑料光纤相对于所述直线互相对称，光纤环形器的第三端与光电探测器电连接，光电探测器与数据处理单元电连接，控制单元还与所述数据处理单元电连接。

所述光脉冲发射装置包括脉冲发生器和激光二极管；

所述控制单元与脉冲发生器相连，脉冲发生器与激光二极管相连；

所述控制单元能够控制脉冲发生器发出脉冲，脉冲发生器发出的脉冲能够驱动激光二极管产生光脉冲。

所述基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置还包括放大器，放大器的输入端与所述光电探测器的输出端电连接，放大器的输出端与所述数据处理单元电连接。

所述两根塑料光纤的夹角为30°～60°。

所述基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的监测方法，所述监测方法包括：

s1、所述控制单元控制所述光脉冲发射装置产生光脉冲，光脉冲通过所述光纤环形器和所述光开关进入所述监测装置的两根塑料光纤中；

s2、所述光电探测器通过所述光纤环形器分别接收两根塑料光纤中的光信号，并分别将两根塑料光纤中的光信号转换成电信号；

s3、所述数据处理单元接收所述电信号，并根据所述电信号分别得到每根塑料光纤对应的背向散射曲线；

s4、根据所述背向散射曲线得到裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值，根据两根塑料光纤在混凝土中的布设位置，及所述背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点得到混凝土中裂缝的开展方向；

s5、根据混凝土中裂缝的开展方向及两根塑料光纤的夹角大小，得到和裂缝相交的塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式；

s6、所述数据处理单元内存储有塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式，将s4中得到的所述裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值、及s5中得到的所述塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式，带入所述塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式中，得到裂缝的开度。

本发明的有益效果为：

本发明提出了基于塑料光纤光时域反射技术的混凝土结构裂缝监测技术，将塑料光纤粘贴于混凝土结构表面或埋设到结构内部，通过监测裂缝发生部位塑料光纤返回的背向散射光的菲涅尔反射和光损耗即可确定裂缝的位置、开展方向和宽度。该技术方案利用了低成本的塑料光纤，其具有良好韧性，抗电磁干扰等优良特性，量程大，精度高，可实现实时在线监测和远程遥测。无需裂缝开展先验信息，无需操作人员临近测量，且制作简单，安装方便。

附图说明

图1是本发明的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的结构示意图；

图2是本发明的裂缝与监测单元的三种相交关系的示意图；

图3是本发明示出的监测单元中的一根塑料光纤对应的背向散射曲线的示意图；

图4是本发明中的监测单元在混凝土拱坝中的布置示意图。

其中，

1光脉冲发射装置，2光纤环形器，3光开关，4监测单元，5光电探测器，6控制单元，7数据处理单元，8第一塑料光纤，9第二塑料光纤，10两根塑料光纤的多个交点所在直线，11脉冲发生器，12激光二极管，13放大器。

具体实施方式

为了解决现有的裂缝监测技术无法测量裂缝的开展方向和开度的问题，如图1至图4所示，本发明提供了一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，该塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置1、光纤环形器2、光开关3、监测单元4、光电探测器5、控制单元6和数据处理单元7；

控制单元6与光脉冲发射装置1电连接，光脉冲发射装置1与光纤环形器2的第一端通过光纤相连，光纤环形器2的第二端与光开关3通过光纤相连，其中，连接光纤环形器2和光开关3的光纤可以采用塑料光纤，监测单元4包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤8和第二塑料光纤9，两根塑料光纤均与光开关3相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线10上，且两根塑料光纤相对于该直线10互相对称，光纤环形器2的第三端与光电探测器5电连接，光电探测器5与数据处理单元7电连接，控制单元6还与数据处理单元7电连接，能够控制数据处理单元7工作。

其中，光脉冲发射装置1包括脉冲发生器11和激光二极管12；

控制单元6与脉冲发生器11相连，脉冲发生器11与激光二极管12相连；

控制单元6能够控制脉冲发生器11发出脉冲，脉冲发生器11发出的脉冲能够驱动激光二极管12产生光脉冲。

在本发明中，基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置还包括放大器13，放大器13的输入端与光电探测器5的输出端电连接，放大器13的输出端与数据处理单元7电连接，放大器13能够对光电探测器5输出的电信号进行放大。

优选地，在本发明中，两根塑料光纤的夹角为30°～60°。

本发明中的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的监测方法包括：

s1、控制单元6控制光脉冲发射装置1产生光脉冲，光脉冲通过光纤环形器2和光开关3进入监测装置的两根塑料光纤中；

具体地，控制单元6发送控制信号给光脉冲发射装置1，使光脉冲发射装置1根据控制信号发出脉冲，该脉冲驱动激光二极管12产生光脉冲，光脉冲通过光纤及光纤环形器2的第一端进入光纤环形器2内，并通过光纤环形器2的第二端和光开关3分别进入监测单元4的两根塑料光纤中，并在两根塑料光纤中进行传输。

s2、光电探测器5通过光纤环形器2分别接收两根塑料光纤中的光信号，并分别将两根塑料光纤中的光信号转换成电信号；

光脉冲在两根塑料光纤传输的过程中，会产生背向散射光，若混凝土产生裂缝，裂缝会使得塑料光纤发生微小的局部变形，影响光脉冲的传输，因此光脉冲在光纤变形处会产生菲涅尔反射光，背向散射光和菲涅尔反射光通过光纤环形器2的第三端进入光电探测器5，光电探测器5将光信号转换为电信号，为了放大信号，可以在装置中布设放大器13，对电信号进行放大；

s3、数据处理单元7接收电信号，并根据电信号分别得到每根塑料光纤对应的背向散射曲线，其中，根据光电探测器5转换完成的电信号得到背向散射曲线为现有技术，背向散射曲线的横坐标为塑料光纤上产生菲涅尔反射事件点距离塑料光纤的起始点(即入射点)之间的距离，纵坐标为背向反射水平，因此通过菲涅尔反射事件点对应的横坐标能得知塑料光纤发生变形的位置，通过菲涅尔反射事件点对应的纵坐标能得知光脉冲在塑料光纤发生变形处的光损耗值，第一塑料光纤8对应的背向散射曲线为第一背向散射曲线，第二塑料光纤9对应的背向散射曲线为第二背向散射曲线；

s4、数据处理单元7根据背向散射曲线得到裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值，根据两根塑料光纤在混凝土中的布设位置，及背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点得到混凝土中裂缝的开展方向；

若光脉冲在塑料光纤内传输的过程中在裂缝发生位置发生菲涅尔反射，则背向散射曲线上会存在菲涅尔反射事件点，根据菲涅尔反射事件点所对应的纵坐标，能得到裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值，图3右侧虚线圆区分了反射值和光损耗值，损耗值为裂缝位置背向散射曲线下降的数值，菲涅尔反射值为上升的数值；如图3所示根据菲涅尔反射事件点的峰值点所对应的横坐标为菲涅尔反射事件点处距离塑料光纤的起始点(即入射点)之间的距离，及根据塑料光纤在混凝土中的布设位置，可以得到裂缝的开展方向；

例如若裂缝的位置为图2中裂缝1的位置，则裂缝1会影响第一塑料光纤8和第二塑料光纤9中的光脉冲的传播，因此第一背向散射曲线上会存在一个菲涅尔反射事件点，第二背向散射曲线上也会存在一个菲涅尔反射事件点，根据第一背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点可以得到第一塑料光纤8与裂缝1交点处的光损耗值a1，根据第一背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点的位置及第一塑料光纤8在混凝土中的布设位置可以确定裂缝1与第一塑料光纤8的相交点位置，根据第二背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点可以得到第二塑料光纤9与裂缝1交点处的光损耗值a2，根据第二背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点的位置及第二塑料光纤9在混凝土中的布设位置可以确定裂缝1与第二塑料光纤9的相交点位置，再根据第一塑料光纤8和第二塑料光纤9在混凝土上的布设位置，可以得知裂缝1的开展方向；

若裂缝的位置为图2中裂缝2的位置，则裂缝2会影响第二塑料光纤9中的光脉冲的传播，不会影响第一塑料光纤8中的光脉冲的传播，因此第二背向散射曲线上会存在两个菲涅尔反射事件点，根据第二背向散射曲线上的两个菲涅尔反射事件点可以分别得到第二塑料光纤9与裂缝2两个交点处的光损耗值a3和a4，根据第二背向散射曲线上的两个菲涅尔反射事件点的位置可以确定裂缝2与第二塑料光纤9的两个相交点的位置，再根据第二塑料光纤9在混凝土上的布设位置，可以得知裂缝2的开展方向；

s5、数据处理单元7根据混凝土中裂缝的开展方向及两根塑料光纤的夹角大小，得到和裂缝相交的塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式；

如图2所示，第一塑料光纤8和第二塑料光纤9的夹角为θ0，裂缝与塑料光纤的夹角关系存在三种方式，如图2中的裂缝1、裂缝2和裂缝3，对于裂缝1，和裂缝1相交的塑料光纤为第一塑料光纤8和第二塑料光纤9，设裂缝1与第一塑料光纤8的夹角为θ1，与第二塑料光纤9的夹角为θ2，则夹角关系式为θ1＝(180°-θ0)-θ2；对于裂缝2，和裂缝2相交的塑料光纤为第二塑料光纤9，设裂缝2与第二塑料光纤9的两个夹角分别为θ3和θ4，则夹角关系式为θ3＝θ0-θ4；对于裂缝3，和裂缝3相交的塑料光纤为第一塑料光纤8和第二塑料光纤9，设裂缝3与第一塑料光纤8的夹角为θ5，与第二塑料光纤9的夹角为θ6，则夹角关系式为θ5＝180°-θ6；其中，第一塑料光纤8和第二塑料光纤9的夹角θ0为已知，因此可以得到和裂缝相交的塑料光纤与裂缝形成的两个夹角的关系。优选地，两根塑料光纤的夹角θ0为30°～60°。

s6、数据处理单元内存储有塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式，将s4中得到的裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值、及s5中得到的塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式，带入塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式中，得到裂缝的开度。

在本发明中，数据处理单元内存储的塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式可以通过实验得到，在通过实验得到塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式的过程中，实验采用的塑料光纤的型号要与本发明中的装置在实际测量时所采用的塑料光纤的型号一致。

实验时，将sh2001-j型塑料光纤设置在混凝土结构中，混凝土结构的混凝土材料与后续实际需要监测的混凝土结构的材料相同，向该塑料光纤中输入光脉冲，并人为使混凝土结构产生裂缝，产生裂缝时会引起塑料光纤的微小变形，从而使得塑料光纤返回的散射光强产生变化，通过otdr-2100pof-650-4型光时域反射仪测量塑料光纤在裂缝处的光损耗，因此光损耗值a、裂缝开度δ及裂缝与光纤的夹角θ均为已知，通过实验得到在不同的裂缝开度δ及裂缝与光纤的夹角θ下，所对应的光损耗值a，将裂缝与光纤的夹角θ、及裂缝开度δ作为自变量，将光损耗值a作为因变量，对多组实验数据进行回归分析，得到塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式：

其中，c1、c2、c3、c4和c5为回归系数，回归系数在回归分析过程中得到具体数值，a光损耗值、δ为裂缝开度，θ为裂缝与光纤的夹角。

其中，实验数据越多，得到的关系式精确度越高，在得到关系式后，可以将已知的光损耗值a及裂缝与光纤的夹角θ带入关系式，将根据关系式计算得出的裂缝开度δ与实际已知的裂缝开度δ进行比对，若误差较高，则增加实验数据，再次进行回归分析，直至公式计算出的光损耗值与实际测量出的光损耗值的误差处在符合要求的误差范围内。实验过程中采用的塑料光纤的型号不同时，通过回归分析得到的塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式可能不同，因此，使用本发明中的装置时，可以根据实际情况提前进行实验得出塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式并载入数据处理单元内。

在本实施例中，将载入数据处理单元内，将s4中得到的裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值、及s5中得到的塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式，带入计算得到裂缝的开度δ；

例如，对于图2中的裂缝1：

裂缝1与第一塑料光纤8交点处的光损耗值为a1，裂缝1与第一塑料光纤8的夹角为θ1，将a1输入公式中的a，将θ1输入公式中的θ；

裂缝1与第二塑料光纤9交点处的光损耗值为a2，裂缝1与第二塑料光纤9的夹角为θ2，将a2输入公式中的a，将θ2输入公式中的θ；

同时根据和裂缝1相交的两根塑料光纤与裂缝1形成的夹角关系式θ1＝(180°-θ0)-θ2，可以计算得出裂缝1的开度δ。

对于图2中的裂缝2：

裂缝2与第二塑料光纤9第一个交点处的光损耗值为a3，裂缝2与第二塑料光纤9第一个交点处的夹角为θ3，将a3输入公式中的a，将θ3输入公式中的θ；

裂缝2与第二塑料光纤9第二个交点处的光损耗值为a4，裂缝2与第二塑料光纤9第二个交点处的夹角为θ4，将a4输入公式中的a，将θ4输入公式中的θ；

同时根据和裂缝2相交的第二塑料光纤9与裂缝2形成的夹角关系式θ3＝θ0-θ4，可以计算得出裂缝2的开度δ。

对于图2中的裂缝3：

裂缝3与第一塑料光纤8交点处的光损耗值为a5，裂缝3与第一塑料光纤8的夹角为θ5，将a5输入公式中的a，将θ5输入公式中的θ；

裂缝3与第二塑料光纤9交点处的光损耗值为a6，裂缝3与第二塑料光纤9的夹角为θ6，将a6输入公式中的a，将θ6输入公式中的θ；

同时根据和裂缝3相交的两根塑料光纤与裂缝3形成的夹角关系式θ5＝180°-θ6，可以计算得出裂缝3的开度δ。

在实际应用时，可以在混凝土结构中布设多个本发明中的监测装置，对混凝土结构中的裂缝进行检测，如图4所示的为在混凝土拱坝结构中布设了多个监测装置，在混凝土拱坝结构中形成塑料光纤监测网络，拱圈内部和拱坝下游面均为潜在的开裂区域，可以将本发明中监测装置的检测单元埋设在混凝土结构内或者混凝土结构表面，对混凝土结构进行实时在线监测和远程遥测，无需人员临近测量，制作简单，安装过程方便。