一种基于弱光栅阵列的剪切传感器及其应用方法与流程

本发明涉及桥梁工程监测。更具体地说，本发明涉及一种基于弱光栅阵列的剪切传感器及其应用方法。

背景技术：

1、桥梁水下基础建造过程中，常常需要用到板桩来构建围堰等结构，而相邻板桩间连接是否牢固，锁扣是否扣紧，目前还缺乏有效的监测手段。国外采用电类剪切传感器进行板桩锁扣连接状态检测，该传感器基于电学原理，在水下施工过程中易发生损坏，且一般只能单点部署，无法复用，成本高昂。

2、近年来，弱光栅阵列光纤传感技术发展迅速，它具有传统光纤传感技术本质安全、耐腐蚀高温、部署灵活、测量精度高等优势，同时也具有分布式光纤传感技术测量范围广、系统结构简单、一缆式结构易部署、空间分辨率高等优势，被广泛应用于各个领域中，取得良好的应用效果。

3、目前，还未有将弱光栅阵列光纤传感技术良好应用到板桩锁扣连接状态检测的成熟方案。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、本发明还有一个目的是提供一种基于弱光栅阵列的剪切传感器及其应用方法，以解决现有技术板桩锁扣连接状态进行监测的剪切传感器复用性差、检测准确性低的技术问题。

3、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于弱光栅阵列的剪切传感器，包括沿竖向间隔排列设置在钢板桩锁扣上的多个剪切传感器，每个剪切传感器包括沿水平方向依次设置的剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元，光纤保护单元在竖向的两端分别开设有光纤进口和光纤出口，剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元内部共同开设有一条线槽，线槽的一端与光纤进口连通，依次经过安装固定单元、光纤保护单元，另一端与光纤出口连通，弱光纤光栅传感器固定在位于剪切探测单元内的线槽上，与弱光纤光栅传感器两端连接的光纤引线分别沿线槽穿出光纤进口或光纤出口后连接传输光纤，传输光纤与外部信号解调设备或光源连接，剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元分别为金属壳体材质，光纤引线与线槽的内壁粘结，在剪切探测单元的外表面靠近安装固定单元的一侧沿上下对称开设有一对剪切槽，安装固定单元用于穿设固定在钢板桩的锁扣上且剪切探测单元朝向锁扣内设置。

4、优选的是，在厚度方向上分割为装载部和盖合部，所述线槽、所述光纤进口、所述光纤出口的一部分开设在装载部上、另一部分开设在盖合部上，装载部和盖合部之间通过螺栓连接。

5、优选的是，所述安装固定单元整体呈t形结构，其中尺寸较小的一端为头端、尺寸较大的一端为后端，所述剪切探测单元连接在头端一侧且与头端等长、所述光纤保护单元设置在后端一侧且与后端等长。

6、本发明还提供一种基于弱光栅阵列的剪切传感器的应用方法，包括如下步骤：

7、s1：组装剪切传感器，在所述锁扣上依据所述剪切探测单元的尺寸沿竖向间隔开设槽孔，槽孔水平贯通锁扣设置；

8、s2：将所述剪切探测单元通过槽孔横向伸入所述锁扣内，并将所述安装固定单元与所述锁扣之间进行焊接；

9、s3：上下两个相邻的剪切传感器之间，上一个所述光纤保护单元上的所述光纤出口与下一个所述光纤保护单元上的所述光纤进口之间通过传输光纤进行熔接后连接起来，形成剪切传感器阵列，位于最底部的设为第一个剪切传感器；

10、s4：设置分布式应变光纤，分布式应变光纤从下到上粘贴在已安装钢板桩的表面进行应变探测；

11、s5：第一个剪切传感器下方引出的传输光纤与分布式应变光纤在钢板桩底部熔接形成一个整体光纤监测系统，最后将光纤监测系统接入信号解调设备中；

12、s6、根据监测的锁扣连接状态判断钢板桩下沉的精确位置，利用所有剪切传感器对应的位置情况作为主刻度，当前剪切传感器内的所述弱光纤光栅传感器的信号消失则表示钢板桩下沉到当前位置，粘贴在钢板桩表面的分布式应变光纤作为次刻度，用于监测应变和温度变化，根据监测到的应力和温度变化位置，判断两个剪切传感器之间板桩锁扣下沉位置，作为次刻度，从而实现板桩锁扣下沉位置的精确判断。

13、优选的是，所述剪切传感器的组装方法包括如下步骤：

14、s11、用酒精擦拭并清洗剪切传感器的所述线槽、所述光纤入口、所述光纤出口；

15、s12、取所述装载部，将所述弱光纤光栅传感器固定在对应所述剪切探测单元的所述线槽内，其它所述光纤引线依次放入所述光纤保护单元、所述安装固定单元内的所述线槽内，采用快干胶分别进行预固定；

16、s13、在所述剪切槽内均匀涂覆环氧树脂胶，等待固化；

17、s14、将每个剪切传感器的所述装载部与所述盖合部对齐，通过连接螺栓进行固定。

18、优选的是，所述整体光纤监测系统在用于精确判断钢板桩下沉位置的同时，对水冷系统进行异常温度点的冷却指导，具体包括如下步骤：

19、a1：设定高温阈值t1，设定温度变化速率阈值△，设置水冷低温阈值t2；

20、a2：所述整体光纤监测系统中为同缆光纤测量温度、应变，在计算时具有相同的应变系数rε和温度系数rτ，设钢板桩下沉到某一位置温度光纤和应变光纤的波长变化量为λt和λε，则计算温度t和应变ε的公式如下：

21、

22、针对前后两次计算得到的温度t及经过的时间间隔来计算对应的温度变化速率v；

23、a3：打桩过程中根据检测计算钢板桩当前实时温度t超过高温阈值t1后启动水冷系统进行冷却水浇筑；

24、a4：根据温度变化速率v控制冷却水浇筑流量由大到小，当温度变化速率v临近阈值△，立即减小冷却水浇筑流量，防止速冷引起钢板桩变形；

25、a5：当温度t达到水冷低温阈值t2时停止冷却水浇筑。

26、本发明至少包括以下有益效果：本发明的基于弱光栅阵列的剪切传感器包括剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元，在剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元中共设一条线槽用于安装光纤引线，弱光纤光栅传感器安装在剪切探测单元内的线槽中，设置的安装固定单元实现剪切传感器与钢板桩更好的焊接固定，通过设置的光纤保护单元对传输光纤、光纤引线的连接路径进行保护，避免在安装过程中发生断裂，同时有利于复用，降低安装成本，剪切探测单元上设置剪切槽，在板桩连接过程的竖直方向上易于剪切，在将剪切传感器应用到钢板桩下沉安装状态的监测中时，剪切传感器安装在钢板桩的锁扣上，不影响板桩整体结构受力特性，钢板桩下沉对当前位置的剪切传感器在剪切槽处剪切，剪切后通过监测光纤信号的变化从而实现锁扣连接状态监测。

27、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种基于弱光栅阵列的剪切传感器，其特征在于，包括沿竖向间隔排列设置在钢板桩锁扣上的多个剪切传感器，每个剪切传感器包括沿水平方向依次设置的剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元，光纤保护单元在竖向的两端分别开设有光纤进口和光纤出口，剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元内部共同开设有一条线槽，线槽的一端与光纤进口连通，依次经过安装固定单元、光纤保护单元，另一端与光纤出口连通，弱光纤光栅传感器固定在位于剪切探测单元内的线槽上，与弱光纤光栅传感器两端连接的光纤引线分别沿线槽穿出光纤进口或光纤出口后连接传输光纤，传输光纤与外部信号解调设备或光源连接，剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元分别为金属壳体材质，光纤引线与线槽的内壁粘结，在剪切探测单元的外表面靠近安装固定单元的一侧沿上下对称开设有一对剪切槽，安装固定单元用于穿设固定在钢板桩的锁扣上且剪切探测单元朝向锁扣内设置。

2.如权利要求1所述的基于弱光栅阵列的剪切传感器，其特征在于，在厚度方向上分割为装载部和盖合部，所述线槽、所述光纤进口、所述光纤出口的一部分开设在装载部上、另一部分开设在盖合部上，装载部和盖合部之间通过螺栓连接。

3.如权利要求2所述的基于弱光栅阵列的剪切传感器，其特征在于，所述安装固定单元整体呈t形结构，其中尺寸较小的一端为头端、尺寸较大的一端为后端，所述剪切探测单元连接在头端一侧且与头端等长、所述光纤保护单元设置在后端一侧且与后端等长。

4.如权利要求3所述的基于弱光栅阵列的剪切传感器的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的基于弱光栅阵列的剪切传感器的应用方法，其特征在于，所述剪切传感器的组装方法包括如下步骤：

6.如权利要求4所述的基于弱光栅阵列的剪切传感器的应用方法，其特征在于，所述整体光纤监测系统在用于精确判断钢板桩下沉位置的同时，对水冷系统进行异常温度点的冷却指导，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于弱光栅阵列的剪切传感器及其应用方法，剪切传感器包括剪切探测单元、安装固定单元、光纤保护单元，内部共设一条线槽用于安装光纤引线，弱光纤光栅传感器安装在剪切探测单元内的线槽中，剪切探测单元上设置剪切槽，通过安装固定单元将剪切传感器焊接固定在钢板桩上，不影响板桩整体结构受力特性，设置的光纤保护单元对光纤引线进行保护，避免在安装过程中发生断裂，同时有利于复用，降低成本，在将剪切传感器应用到钢板桩下沉安装状态的监测中时，剪切传感器安装在钢板桩的锁扣上，钢板桩锁扣下沉对当前位置的剪切传感器在剪切槽处剪切，通过监测光纤信号的变化来监测锁扣连接状态，确认钢板桩下沉位置。

技术研发人员：田唯,冯先导,黄灿,朱浩,杨华东,林红星,刘志昂,王永威,陈圆,刘聪聪
受保护的技术使用者：中交第二航务工程局有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15