专利名称：一种基于otdr技术的裂缝监测传感器及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种基于OTDR技术的裂缝监测传感器及其使用方法，属于光纤监测技术领域。
背景技术：
光纤监测混凝土结构裂缝是通过在混凝土中埋设光纤，当混凝土开裂时，光纤受到弯折，其弯曲半径小于宏弯曲临界半径之后，便会产生菲涅尔反射与瑞利散射，光时域反射仪可以监测到此时的光损耗。光纤线圈半径即光纤的宏弯曲半径不断减小，且减小的数值与混凝土裂缝的开合度成一定关系。此时便可得到光损耗与混凝土结构内部、外部裂缝开度之间的关系，以此来判断混凝土结构损伤程度。传统的光纤传感器有各自的局限性，有的只能应用在结构表面，有的可操作性不够强，只能进行点式监测，有的抗干扰能力差，有的成本高、操作复杂。
发明内容
本发明针对上述问题的不足，提出一种能有效监测混凝土裂缝的产生与扩展的裂缝监测仪，此技术不仅抗干扰能力强、成本低廉、制作简单，而且能应用于混凝土结构内部，同时可操作性强，能够实现实时监测和分布式监测。本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是:一种基于OTDR技术的裂缝监测传感器，包括保护盒、带有两个端头的裸光纤线圈以及第一、第二有保护层光纤，所述裸光纤线圈设置于保护盒内，所述保护盒的底部两端分别设置有第一、第二出线口，而在第一、第二出线口下方的保护盒底部分别设置有第一、第二光纤粘贴平台；所述第一有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第一出线口与裸光纤线圈的一个端头连接，而该第一有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第一光纤粘贴平台上；而第二有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第二出线口与裸光纤线圈的另一个端头连接，而该第二有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第二光纤粘贴平台上；所述裸光纤线圈为一段裸线光纤通过缠绕打结后形成的一个光纤线圈，且该裸光纤线圈直径在14mm-16mm之间。进一步地:所述保护盒内壁设置有防反光层，同时所述保护盒为耐腐蚀、耐高温的金属材料制成的金属保护盒。优选的:所述裸光纤线圈直径为15mm。—种基于上述所述的基于OTDR技术的裂缝监测传感器的使用方法，包括以下步骤:a.将混凝土浇筑到要监测的高度时，整平混凝土表面，将监测仪器的外部光纤或者皮缆绷紧平铺于混凝土表面，再将所述传感器平放在混凝土表面，然后将外部光纤或者皮缆分别与所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接；b.在外部光纤或者皮缆上面继续铺设混凝土使得外部光纤或者皮缆固定不动，等到混凝土凝固后，用环氧树脂解胶剂将第一、第二光纤粘贴平台上的环氧树脂胶去除，然后继续浇筑混凝土。进一步地:在所述a步骤中，所述外部光纤或者皮缆分别于所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接后，在熔接部位采用热缩管进行保护，热缩管外面在套有不锈钢钢管。本发明的基于OTDR技术的裂缝监测传感器及其使用方法，相比现有技术，具有以下有益效果:1.由于使用光纤作为主体，因此其不仅结构简单、成本低廉，而且不受电磁干扰、温度对其影响小，因而抗干扰能力强、灵敏度高，同时其寿命长、复用性好、安装方便、制造工艺简单。2.由于使用时只需先将传感器外部光纤与第一、第二有保护层光纤通过端头熔接，再用解胶剂解除环氧树脂胶的粘连作用，然后继续浇筑混凝土，因而其使用简单方便、可操作性强，同时由于设置有保护盒，因而本身安全度高，不易被损坏，可适用于各种混凝土结构的裂缝监测。3.由于采用裸光纤线圈作为主体，因此光时域反射仪通过该裸光纤线圈可以不断的对混凝土进行监测，实现混凝土结构裂缝的动态监测(实时监测)，同时由于本发明结构简单，可操作性强，因此可以进行多点布置，从而实现混凝土内部结构的分布式监测，这对于大体积混凝土的裂缝监测具有突破性的意义。
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图1为本发明基于OTDR技术的裂缝监测传感器的结构示意 图2为本发明基于OTDR技术的裂缝监测传感器的平面示意 图3为裸光纤线圈(2)的形成机理示意图
图中:I一保护盒，2—裸光纤线圈，31—第一有保护层光纤，32—第二有保护层光纤，41 一第一粘胶部位，42—第二粘胶部位，5—光纤接头61—第一出线口，62—第二出线口，71—第一光纤粘贴平台，72—第二光纤粘贴平台。具体实施方 式:
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例一种基于OTDR技术的裂缝监测传感器，如图1、2所示，包括保护盒、带有两个端头的裸光纤线圈以及第一、第二有保护层光纤，所述裸光纤线圈设置于保护盒内，所述裸光纤线圈通过环氧树脂胶粘贴在保护盒内，所述保护盒的底部两端分别设置有第一、第二出线口，所述第一、第二出线口用于引出第一、第二有保护层光纤，而在第一、第二出线口下方的保护盒底部分别设置有第一、第二光纤粘贴平台；由于裸光纤容易断裂，所以在保护盒内部将裸光纤与有保护层光纤熔接，然后将有保护层光纤引出，不容易断裂，也就是所述第一有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第一出线口与裸光纤线圈的一个端头连接，而该第一有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第一光纤粘贴平台上的第一粘胶部位处；而第二有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第二出线口与裸光纤线圈的另一个端头连接，而该第二有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第二光纤粘贴平台上的第二粘胶部位处；
如图3所示，所述裸光纤线圈为一段裸线光纤通过缠绕打结后形成的一个光纤线圈，且该裸光纤线圈直径在14mm-16mm之间，优选的所述裸光纤线圈直径为15mm。为了保证光纤线圈直径为15mm，在保护盒内部将有保护层光纤用环氧树脂胶与保护盒粘结到一起，使用时，再用环氧树脂解胶剂去除即可，即所述第一、第二有保护层光纤位于保护盒内的部分通过环氧树脂胶粘结在保护盒内。所述保护盒内壁设置有防反光层，所述防反光层可通过保护盒内壁涂成黑色制成，该防反光层能够防止金属内壁反光而影响监测结果的精确性，同时所述保护盒为耐腐蚀、耐高温的金属材料制成的金属保护盒；所述保护盒外形为方形，该保护盒分为上下两部分，通告四个螺丝分别在四个角点链接保护盒上下两部分。一种基于上述所述的基于OTDR技术的裂缝监测传感器的使用方法，包括以下步骤:a.将混凝土浇筑到要监测的高度时，整平混凝土表面，将监测仪器的外部光纤或者皮缆绷紧平铺于混凝土表面，再将所述传感器平放在混凝土表面，然后通过光纤熔接仪将外部光纤或者皮缆分别与所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接，所述外部光纤或者皮缆分别于所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接后，在熔接部位采用热缩管进行保护，热缩管外面在套有不锈钢钢管，防止粗放式施工使其断裂；b.在外部光纤或者皮缆上面继续铺设混凝土使得外部光纤或者皮缆固定不动，等到混凝土凝固后，用环氧树脂解胶剂将第一、第二光纤粘贴平台上的环氧树脂胶去除，然后继续浇筑混凝土。本发明的原理:
当混凝土结构受力不均时，结构就会有一定程度的损伤，裂缝是其最直观的表现形式。混凝土结构内部裂缝的产生与扩展很难通过表面观测数据精确反应内部裂缝扩展情况，但其直接关系到结构本身的安全性和可使用性。本发明的使用原理为在混凝土结构浇筑过程中，当混凝土浇筑到一定高度时，将外部光纤平铺在混凝土结构中设置监测的部位，保护盒平放于混凝土上，再将保护盒的引出线——有保护层光纤与外部光纤在端头处采用光纤熔接仪熔接，熔接处用热缩管套装，在热缩管外部可以再套用不锈钢钢管做保护用。保护盒及其外部光纤铺设完成后，用环氧树脂解胶剂将第一、第二粘胶部位处的环氧树脂胶去除，然后继续浇筑上层混凝土。若混凝土结构产生损伤，结构内部裂缝不断地扩展，裸光纤线圈的直径就会不断地减小，弯曲半径随之减小，光损耗增加，光时域反射仪就可监测得到相应的数据。通过试验，给出光损耗与结构裂缝大小的关系值，应用中便可以根据检测到的光损耗值，得出混凝土内部裂缝的开度值，从而反映出结构内部裂缝产生及扩展的程度。经过大量试验证明，利用光纤弯曲产生损耗的原理，裸光纤线圈直径为15_以后损耗增加快，光时域反射仪可以很好的监测到裂缝的产生与扩展，因此必须严格控制裸光纤线圈直径大小。由上述可知，本发明可用于土木建筑工程、水利工程等各种混凝土结构的裂缝监测，尤其应用于大坝安全监测，可充分利用裂缝监测仪分布式监测的特点。上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。
权利要求
1.一种基于OTDR技术的裂缝监测传感器，其特征在于:包括保护盒、带有两个端头的裸光纤线圈以及第一、第二有保护层光纤，所述裸光纤线圈设置于保护盒内，所述保护盒的底部两端分别设置有第一、第二出线口，而在第一、第二出线口下方的保护盒底部分别设置有第一、第二光纤粘贴平台；所述第一有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第一出线口与裸光纤线圈的一个端头连接，而该第一有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第一光纤粘贴平台上；而第二有保护层光纤的一端穿过保护盒内上的第二出线口与裸光纤线圈的另一个端头连接，而该第二有保护层光纤的另一端通过环氧树脂胶粘贴在第二光纤粘贴平台上；所述裸光纤线圈为一段裸线光纤通过缠绕打结后形成的一个光纤线圈，且该裸光纤线圈直径在14mm-16mm之间。
2.根据权利要求1所述基于OTDR技术的裂缝监测传感器，其特征在于:所述保护盒内壁设置有防反光层，同时所述保护盒为耐腐蚀、耐高温的金属材料制成的金属保护盒。
3.根据权利要求2所述基于OTDR技术的裂缝监测传感器，其特征在于:所述裸光纤线圈直径为15mm。
4.一种基于权利要求1所述的基于OTDR技术的裂缝监测传感器的使用方法，其特征包括以下步骤:a.将混凝土浇筑到要监测的高度时，整平混凝土表面，将监测仪器的外部光纤或者皮缆绷紧平铺于混凝土表面，再将所述传感器平放在混凝土表面，然后将外部光纤或者皮缆分别与所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接；b.在外部光纤或者皮缆上面继续铺设混凝土使得外部光纤或者皮缆固定不动，等到混凝土凝固后，用环氧树脂解胶剂将第一、第二光纤粘贴平台上的环氧树脂胶去除，然后继续浇筑混凝土。
5.根据权利要求4所述的基于OTDR技术的裂缝监测传感器的使用方法，其特征在于:在所述a步骤中，所述外部光纤或者皮缆分别于所述传感器上的第一、第二有保护层光纤的端头熔接后，在熔接部位采用热缩管进行保护，热缩管外面在套有不锈钢钢管。
全文摘要
一种基于OTDR技术的裂缝监测传感器及其使用方法，属于光纤监测技术领域，包括保护盒、带有两个端头的裸光纤线圈以及第一、第二有保护层光纤；所述裸光纤线圈为一段裸线光纤通过缠绕打结后形成的一个光纤线圈，且该裸光纤线圈直径在14mm-16mm之间，使用时先将传感器外部光纤与第一、第二有保护层光纤通过端头熔接，再用解胶剂解除环氧树脂胶的粘连作用，保证传感器内部光纤可以随着裂缝的扩展自由拉伸，然后继续浇筑混凝土，本发明不仅施工方便、制作简单、成本低廉，而且能适用于各种混凝土内部结构的裂缝监测，同时可操作性强，能够实现混凝土内部结构的实时监测和分布式监测。
文档编号G01B11/02GK103217109SQ20131012222
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者崔少英, 包腾飞, 翟静宇, 蒋众喜, 刘月明, 崔少华, 李晓柱 申请人:河海大学