光纤光栅冲刷监测传感器及其制作方法

专利名称：光纤光栅冲刷监测传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土木工程监测技术，具体涉及一种基于光纤光栅(FBG)传感技术的土 木工程结构冲刷监测传感器。
(二)
背景技术：
桥梁、大坝、海洋平台等结构被破坏的重要原因之一就是水流的冲刷，导致结构下面的 地基逐渐被冲蚀掉，使结构处于危险状况。结构因其基础受水流冲刷而发生破坏通常是没有 任何征兆的，因为冲刷是发生在水下，很难通过仪器监测。结构基础一旦被冲刷发生破坏时， 将危及车辆与行人的安全。造成巨大的社会损失和经济损失。在过去30年发生在美国的1000 多座桥梁的垮塌事件中，有60%是由于桥墩的冲刷破坏。在受台风影响比较严重的中国南部 沿海、台湾、韩国和日本等地区，伴随台风而来的暴雨洪水对桥墩的冲刷破坏更加严重；洋 流对海洋平台的基础的冲刷严重影响了平台结构的安全；河水对河流两岸大坝基础的冲刷也 威胁到大坝的安全，这些安全隐患已经成为人们十分关心的问题。因此，大型结构的冲刷监 测已经成为土木工程领域迫切需要解决的工程问题之一 。
传统的冲刷深度测量仪器有人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等，但应用 这些仪器对冲刷的检测方法都存在很大的局限性。人工深度尺测量法需要耗费大量的人力物 力，在水上作业对测量人员的安全造成很大的威胁，且测量结果与测量人员的素质有很大的 关系；声纳、雷达虽然容易安装，但是结果很难提取，特别是当水里含有大量的泥沙和碎片 时，噪声对信号的影响很大；时域反射计技术是通过发射和接收电磁波脉冲信号来测量河床 深度，但较长的传输导线对信号的强弱和信噪比影响较大，容易造成信号失真，影响测量结 果。
采用光纤光栅传感技术设计开发的桥梁冲刷传感器能够弥补以上传统的探测方法的不 足。光纤光栅作为一种新型的无源光学器件，具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布 设、易于组网和实时监测能力强等优点，已成为智能材料及其相关领域中应用最为广泛的敏 感元件之一。以光纤光栅为敏感元件制作的传感仪器也在大力推广中，已有的国内发明专利 及实用新型专利共100余项，但针对利用光纤光栅研究冲刷问题国内检索尚无相关专利及相 关文献。国立台湾大学与国家地震工程研究中心联合开发出一款光纤光栅桥梁冲刷传感器， 其传感探头是在悬臂圆盘结构中粘贴裸光纤光栅，并采用金属镍和胶进行封装。其原理是 当露出河床的传感探头受到水流冲击，悬臂圆盘发生抖动，光纤光栅感知的应变的变化大， 在河床以下的探头不受水流冲击时静止不动，光纤光栅感知的应变的变化小，根据应变的大
小确定河床的冲刷深度，但传感器的设计不能排除随深度变化的覆土土压力和静水压力对传 感探头的影响，且未考虑温度补偿问题，可能造成较大测量误差；随着近年来结构健康监测
(SHM)在国内外的蓬勃发展，光纤光栅类传感器作为最有前途的结构健康监测的传感器， 其应用也越来越广泛，很多新建桥梁、海洋平台上都安装了以光纤光栅为敏感元件健康监测 系统。今后的发展目标之一就是要为桥梁、海洋平台等大型结构建立一套全光纤的结构健康 监测系统，而作为重要指标之一的桥基础冲刷深度测量的问题也就需要相应的光纤类传感器。 因此本专利的发明内容就是基于以上背景开发的一种适合工程应用的测量结构基础冲刷深度 的光纤光栅传感监测技术及其传感器，有着广阔的应用前景和现实的效益。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高耐久性、高精确度、温度自补偿的光纤光栅冲刷监测 传感器。
本发明的目的是这样实现的它包括传感探头，其特征是传感探头由金属外壳、金属 网片、平膜片、连杆、FRP等强度梁、封装在等强度梁中的温度自补偿双光纤光栅和连接光 纤光栅的光纤引出线组成，金属外壳上半部中部设置有安装等强度梁的凸台，等强度梁夹在 连杆中间并和连杆垂直连接，平膜片设置在金属外壳两侧，平膜片中心之间通过连杆连接， 金属网片安装在平膜片外侧，光纤引出线汇总并穿出金属外壳。 本发明还有这样一些技术特征-
1、 它还包括锚固在目标侧壁的连接钢管桩，连接钢管桩包括桩帽、测量段、锚固段和桩 尖，传感探头装入连接钢管桩测量段内垂直于连接钢管桩轴向并与连接钢管桩密封连 接，光纤引出线穿出金属外壳汇总到连接钢管桩测量段顶的侧面并穿过连接钢管桩；
2、 所述的连杆为中间带有两个突齿卡口的通常实心圆杆；
3、 所述的等强度梁的端部侧面开孔；
4、 所述的平膜片中央设置有凸台，凸台中央设置有供连杆穿过的孔；
5、 所述的金属外壳两端设置有金属压环片，金属外壳端部与平膜片之间和平膜片与金属 压环片之间设置有橡胶垫片，金属网片和金属压环片通过螺丝钉固定在金属外壳上；
6、 所述的光纤引出线汇通过穿过连接钢管桩的密封软管穿出连接钢管桩。 本发明的目的还在于提供这种传感器的制作方法金属外壳分为上半部、下半部、左右
两端的压环片四部分进行加工组装，在上半部中部突起处安装等强度梁，光纤引出线通过小 孔引出，然后密封，上下两部分连接起来成筒形，等强梁的端部侧面开孔，连杆和等强度梁 垂直连接，平膜片中央预制凸台，并在凸台中央打孔，连杆与孔配合并胶接，各个探头的光 纤引出线汇总到桩顶段的侧面，再通过密封软管连接引出钢管，各软管在汇总通过总管到水
面上，等强度梁的加工工艺为通过在纤维增强塑料加工成形过程中将光纤跟纤维束一起进入 等强梁成型模具，在FRP布之间分别沿梁的长度方向的预定位置平行放置两根光纤光栅，再 由多层布挤压成复合FBG的FRP板，而后将FRP板加工成FRP梁。
本发明中传感器的布设方法为在桥墩基础上游段，传感器可以根据精度要求布设成不 同纵、横间距的网格状并记录各个点的坐标位置、桩顶标高，通过测量可得初始河床标高， 通过长期的冲刷监测可以得到各个点的冲刷情况，在坐标纸上绘出各个点的冲刷深度，相同 的标高处连线即可得到冲刷等高线图。
本发明中传感器的安装施工方法为传感器可以单根固定到桥墩的迎流面上，也可以离 开桥墩锚固在河床上，但这要求传感器的锚固段足够长以防止传感器被水流冲歪而影响测量 精度。施工时在传感器外面再套一层直径比传感器直径粗的钢管作为保护管，并随传感器一 同捶击到指定标高，然后再拔除保护钢管。施工时一定要保证传感器的平膜片迎着来流方向， 并最好是使桩顶标高一致，这样便于绘图，也可以不一致，根据土质和测量范围来定。 本发明冲刷监测技术的工作原理如下-
它主要利用在动水中柱体绕流的特点，柱体在迎流面受冲击力(正的动水压力)，背流 面受吸力(负的动水压力)，它们的受力方向相同(如图l所示)。其传感探头利用迎流面和 背流面的两片材料、面积、厚度、构造完全相同的平膜片把外力(包括土压力、静水压力和 动水压力)转化为连杆的集中力，连杆连接迎流面和背流面的平膜片，使得平膜片中心点处 变性协调，连杆受到沿轴线方向的不平衡力系的作用产生平动，带动与连杆垂直连接的等强
度悬臂梁发生挠曲变性，因此封装在FRP等强梁中的温度自补偿FBG就能探测到应变变化， 使其中心波长发生改变。当探头埋没在河床中时，连杆可以平衡迎流面和背流面所受的大小 相等、方向相反的静水压力和土压力(如图2所示)，与连杆相连的等强梁基本没有挠曲变形， 封装在等强梁中的温度自补偿FBG的波长没有变化；当探头露出河床受水流冲击时，两片平 膜片能平衡静水压力，但不能平衡方向相同且不断变化的动水压力(如图3所示)，因此连杆 带动等强梁发生挠曲，通过封装在等强度梁中的温度自补偿FBG，可以得到应变的变化。河 床面标高就在中心波长发生变化和没有变化的两个传感探头所处的标高之间，从而确定河床 的冲刷深度。
与其他已开发出来的光纤光栅冲刷监测技术及其传感器相比，本发明有以下5个优点 1、本发明的冲刷测试原理先进可靠，测试方法新颖巧妙。本发明根据柱体表面绕流的 动水压力分布的特点(如图1所示)，巧妙地排除了水中随深度变化的静水压力和土压力的影 响，而直接测出水流的动水压力(如图2、 3所示)，由光纤光栅感知的应变的变化得到河床 的冲刷深度。
2、 本发明的测试精度高，其测试精度可以达到a2m甚至更小，并且还可以根据用户的 要求改变精度，主要通过改变平膜片和等强梁的结构尺寸、探头布置间距的方法达到改变精 度的目的；本发明受力明确、构造合理，其应变测量采用在等强度梁内封装双光栅温度自补 偿方法，使得应变测量更加准确，测试精度更高。
3、 本发明的耐久性好，其主要表现在光纤光栅封装在高耐腐蚀性的FRP材料等强度 梁中；平膜片采用高耐腐蚀性和不透水性的有机高分子材料；各部分连接处均采用高品质密 封圈及紧固连接的方法，严格保证了传感器内部的气密性(如图4所示)。以上结构使得传 感器敏感元件得到多重防水保护，从而使传感器在潮湿环境中具有优良的耐久性。
4、 本发明不仅可以监测局部冲刷，还可以监测整体冲刷。当传感器单根布置在基础上 游壁面时可以监测基础覆土层的冲刷深度；当若干传感器按一定间距网格布置在基础周围， 还可以通过算法实现对桥墩附近一定范围内冲刷程度的确定(如图5所示)，即实现整体冲 刷监测。
5、 本发明的传感器加工制作简单，布设方便、成本低廉，有广阔的应用前景和可观的 经济社会效益。
本发明提供一种基于光纤光栅(FBG)传感技术的土木工程结构冲刷监测技术及其传感 器，适用于定量监测水流对桥梁、大坝、海洋平台等大型土木工程结构基础附近覆土层的冲 刷深度和范围。本发明还涉及这种冲刷传感探头的制作工艺和传感监测系统的布设施工工艺。 通过连续的、实时的监测，桥梁管理者可以拿到桥梁冲刷状态的信息，作为土木工程结构的 危险预警和维护加固的依据。
(四)


图l-图3为本发明的原理说明图4-图6为本发明的传感探头的构造图和传感器的布设图。
(五) 具体实施方案 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述
本实施例包括
1、 冲刷传感器由若干传感探头(数量根据用户的精度要求来确定)和锚固在河床或桥
墩侧壁的连接钢管桩组成，连接钢管桩包括桩帽13、测量段14、锚固段15和桩尖16等四部 分组成(如图6所示)，传感器的布设依据桥墩的形式、大小及周围泥沙层的情况确定。连接 钢管桩垂直河床面锚固，并使得传感器探头的迎着来流方向，测量段、锚固段的长度由现场 勘查报告来确定。
2、 传感器的探头的构造传感器的探头是可拆卸模块，加工成型后装入钢管桩中垂直
于钢管轴向的预制通孔，通过焊接或紧固件与钢管密封连接以防止钢管进水。传感探头由金 属外壳l、金属网片12、平膜片4、连杆6、 FRP等强度梁8、封装在等强度梁8中的温度自 补偿双光纤光栅9和光纤引出线11等组成(如图4所示)。本发明产品的光纤及光栅布置于 纤维增强塑料(FRP)中，其加工工艺一般为先加工FRP布，在FRP布之间按指定要求放置 FBG，再由多层布挤压成复合FBG的FRP板，而后将FRP板加工成设计要求的FRP梁。
结合图4来说明本实施例传感器探头的加工制作工艺。金属外壳l可以采用不锈钢(如 2Crl3钢)或铝材等防腐性能较好的材料加工，金属外壳1可以做成圆筒体或长方筒形，分 为上半部、下半部、左右两端的金属压环片2四部分进行加工组装。在上半部中部突起处， 用两个螺丝钉安装等强度梁8，光纤引出线11通过光纤引出孔10引出，然后把空用环氧树 脂密封，上半部和下半部之间加防水橡胶垫片，用螺栓把上下两部分连接起来成筒形。连杆 6可以做成中间带有两个突齿7卡口的通常实心圆杆，把等强度梁8夹在中间，连杆6可以 采用耐腐蚀金属或FRP材料来制作，等强度梁8的端部侧面开孔，连杆6和等强度梁8之间 可以采用卡口连接或用胶连接。传感探头的迎流面和背流面是两片形状、大小、厚度完全相 同平膜片4，两膜片中心之间通过连杆6连接使得两中心的挠度相同，以平衡静水压力和土 压力；等强度梁8与连杆6之间相互垂直连接，以感受连杆的轴向位移。然后安装平膜片4 和两端的金属压环片2，在筒端部与平膜片4之间和平膜片4与金属压环片2之间都要设置 橡胶垫片，以防筒体进水，用若干螺丝钉来固定金属网片和压紧压环片。平膜片4中央预制 凸台5，并在凸台5中央打孔，连杆6与孔配合并胶接。其中可以根据不同的情况改变筒体 的形状、大小，改变平膜片4的形状、面积、厚度，改变连杆6的粗细，改变等强度梁8的 长度和厚度来改变探头的灵敏度。各个探头的光纤引出线ll汇总到桩顶段的侧面，再通过密 封软管连接引出钢管并保证钢管内部不进水，各软管在汇总通过总管到水面上，严格保证软 管不进水。
本发明的产品可以采用这样的方法来制作FRP等强度梁通过在纤维增强塑料加工成形 过程中将光纤跟纤维束一起进入等强梁成型模具，在FRP布之间分别沿梁的长度方向的预定 位置平行放置两根光纤光栅，再由多层布挤压成复合FBG的FRP板，而后将FRP板加工成 设计要求的FRP梁。
结合图5来说明传感器的布设。在结构基础上游段，传感器可以根据精度要求布设成不 同纵、横间距的网格状并记录各个点的坐标位置、桩顶标高，通过测量可得初始河床标高， 通过长期的冲刷监测可以得到各个点的冲刷情况，在坐标纸上绘出各个点的冲刷深度，相同 的标高处连线即可得到冲刷等高线图。
结合图6来说明传感器的安装施工方法。传感器可以单根固定到结构基础的迎流面上，
也可以离开结构基础锚固在河床上，但这要求传感器的锚固段足够长以防止传感器被水流冲 歪而影响测量精度。施工时在传感器外面再套一层直径比传感器直径粗的钢管作为保护管， 并随传感器一同捶击到指定标高，然后再拔除保护钢管。施工时一定要保证传感器的平膜片 迎着来流方向，并最好是使桩顶标高一致，这样便于绘图，也可以不一致，根据土质和测量 范围来定。
权利要求
1、 一种光纤光栅冲刷监测传感器，它包括传感探头，其特征是传感探头由金属外壳、 金属网片、平膜片、连杆、FRP等强度梁、封装在等强度梁中的温度自补偿双光纤光栅和连 接光纤光栅的光纤引出线组成，金属外壳上半部中部设置有安装等强度梁的凸台，等强度梁 夹在连杆中间并和连杆垂直连接，平膜片设置在金属外壳两侧，平膜片中心之间通过连杆连 接，金属网片安装在平膜片外侧，光纤引出线汇总并穿出金属外壳。
2、 根据权利要求1所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是它还包括锚固在目标侧 壁的连接钢管桩，连接钢管桩包括桩帽、测量段、锚固段和桩尖，传感探头装入连接钢管桩 测量段内垂直于连接钢管桩轴向并与连接钢管桩密封连接，光纤引出线穿出金属外壳汇总到 连接钢管桩测量段顶的侧面并穿过连接钢管桩。
3、 根据权利要求2所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是所述的连杆为中间带有 两个突齿卡口的通常实心圆杆。
4、 根据权利要求3所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是所述的等强度梁的端部 侧面开孔。
5、 根据权利要求4所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是所述的平膜片中央设置 有凸台，凸台中央设置有供连杆穿过的孔。
6、 根据权利要求5所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是所述的金属外壳两端设 置有金属压环片，金属外壳端部与平膜片之间和平膜片与金属压环片之间设置有橡胶垫片， 金属网片和金属压环片通过螺丝钉固定在金属外壳上。
7、 根据权利要求6所述的光纤光栅冲刷监测传感器，其特征是所述的光纤引出线汇通 过穿过连接钢管桩的密封软管穿出连接钢管桩。
8、 一种光纤光栅冲刷监测传感器的制作方法，金属外壳分为上半部、下半部、左右两端的压环片四部分进行加工组装，在上半部中部突起处安装等强度梁，光纤引出线通过小孔引 出，然后密封，上下两部分连接起来成筒形，等强梁的端部侧面开孔，连杆和等强度梁垂直 连接，平膜片中央预制凸台，并在凸台中央打孔，连杆与孔配合并胶接，各个探头的光纤引 出线汇总到桩顶段的侧面，再通过密封软管连接引出钢管，各软管在汇总通过总管到水面上，其特征是等强度梁的加工工艺为通过在纤维增强塑料加工成形过程中将光纤跟纤维束一起 进入等强梁成型模具，在FRP布之间分别沿梁的长度方向的预定位置平行放置两根光纤光栅， 再由多层布挤压成复合FBG的FRP板，而后将FRP板加工成FRP梁。
全文摘要
本发明提供了一种光纤光栅冲刷监测传感器及其制作方法，它包括传感探头，传感探头装入连接钢管桩测量段内垂直于连接钢管桩轴向并与连接钢管桩密封连接，传感探头由金属外壳、金属网片、平膜片、连杆、FRP等强度梁、封装在等强度梁中的温度自补偿双光纤光栅和连接光纤光栅的光纤引出线组成。本发明的冲刷测试原理明确可靠，测试方法新颖巧妙，排除了随深度变化的土压力和静水压力对测量结构的影响，采用封装光纤光栅的FRP等强度梁、双光栅温度自补偿等先进技术，测试精度高，可以达到0.2m甚至更小，并且还可以根据用户的要求改变精度，传感器加工制作简单，施工方便、成本较低。
文档编号G02B6/34GK101122478SQ20071014430
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者俊 何, 何建平, 智 周, 欧进萍, 黄理卿 申请人:哈尔滨工业大学