一种混凝土损伤检测分布式测试系统的制作方法

本实用新型涉及混凝土检测系统领域，具体是一种基于应变传感光缆的混凝土损伤检测分布式测试系统。

背景技术：

混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料，不同标号的混凝土可承载相应的外力作用。然而，由于其自身是一种非均匀的多孔材料，在二氧化碳、水、氯离子等介质的侵蚀作用下，不可避免受到外来因素的影响而腐蚀发生结构性的损伤破坏。因此，混凝土损伤检测对于国民经济的发展和人民生命财产安全具有不可或缺的作用，其也是当今国际社会亟待解决的主要难题。

目前，对于混凝土损伤检测可分为内部缺陷检测和表面检测，其中，用于内部缺陷检测的技术方法主要有超声波检测、雷达检测、射线检测、涡轮检测、声发射等。射线检测可以穿透被检测物体并与其发生物理化学作用，通过射线的强弱判断目标体的损伤程度，但是其成本较高难以推广使用；超声波和雷达检测均要求目标体表面较为平整可与检测仪器充分耦合，其次超声波仅适用于病害区域已知的情况，而且只能纵向探测横向分辨率较低，雷达检测要求病害靶区介电常数与周围介质的有较大差别；涡轮检测则要求更高的操作环境，要求其影响因素较少。对于表面检测通常采用人工来完成，但是对于特殊的工程如高架桥和高层建筑，检测人员难以达到有效检测的目的，后期采用载人飞机进行检测，但是存在成本较高的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于应变传感光缆的混凝土损伤检测分布式测试系统，以解决现有技术混凝土构件损伤检测中存在的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种混凝土损伤检测分布式测试系统，其特征在于：包括数据采集系统、数据处理与分析系统、监测预警系统，所述数据采集系统由埋设在混凝土内部的内部监测用应变传感光缆和设置在混凝土表面的表面监测用应变传感光缆构成，其中内部监测用应变传感光缆为金属基索状应变传感光缆，表面监测用应变传感光缆为金属基带状应变传感光缆，所述内部监测用应变传感光缆、表面监测用应变传感光缆分别通过光纤解调器与数据处理与分析系统连接，数据处理与分析系统与监测预警系统连接。

所述的一种混凝土损伤检测分布式测试系统，其特征在于：内部监测用应变传感光缆、表面监测用应变传感光缆分别配置有温度补偿光缆，其中内部监测用应变传感光缆配置的温度补偿光缆为金属无缝管铠装温度感测光缆，金属无缝管铠装温度感测光缆随内部监测用应变传感光缆埋入混凝土内部，表面监测用应变传感光缆配置的温度补偿光缆为金属基带状温度感测光缆，金属基带状温度感测光缆随表面监测用应变传感光缆设在混凝土表面，金属无缝管铠装温度感测光缆、金属基带状温度感测光缆分别通过光纤解调器与数据处理与分析系统连接。

所述的一种混凝土损伤检测分布式测试系统，其特征在于：还包括设置在混凝土内部的规则的钢筋构件，内部监测用应变传感光缆固定在钢筋构件表面。

所述的一种混凝土损伤检测分布式测试系统，其特征在于：内部监测用应变传感光缆在混凝土内部呈全面网格式布设形式，表面监测用应变传感光缆在混凝土表面呈水平布设形式。

本实用新型针对现有混凝土构件损伤检测中存在的问题，基于分布式应变传感光缆测试技术具有实时性、精度高、存活率高、长距离传输、传感与传输于一体等优点，实用新型设计一种易操控、方法简单、安全可靠的混凝土损伤检测分布式测试系统。

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、采用分布式应变传感光缆进行混凝土损伤监测，其具有分布式、精度高、安装简单、成本较低及抗电磁干扰等优点，有效避免漏检的问题，而且光缆兼具传感传输的功能，且存活率较高可长期监测。

2、分布式应变传感光缆可与混凝土良好耦合发生协调变形，通过应变传感光缆沿线所得应变值可得混凝土变化量，确定混凝土构件的损伤情况，实现健康监测的有效监测。

3、该监测系统可进行远程作业并实施在线监测预警，应变传感光缆布设完毕后达到一劳永逸的效果，大大降低高空人员作业的危险系数，其次传感光缆自身对混凝土无健康影响。

附图说明

图1为混凝土损伤监测系统图。

图2为混凝土损伤模拟实验装置示意图，其中：

图2a为装置整体示意图，图2b为装置俯视图。

图3为模拟试验成果解释图，其中：

图3a为G1/G3光缆应力应变图，图3b为G2光缆应力应变图。

具体实施方式

本实用新型分布式测试系统包括数据采集、数据处理与分析、监测预警三个主要系统，如图1所示。其中数据采集主要对光缆沿线进行分布式应变数据的采集，数据处理与分析是最关键的环节，监测预警即是利用数据分析结果，判别异常情况实时显示给监测人员。具体步骤如下：

1、应变传感光缆的选型

对于混凝土构件的健康监测分为内部和表面两种，不同位置的监测将采用不同型号的光缆。混凝土内部监测选取金属基索状应变传感光缆，金属基索状应变传感光缆为传感光纤被金属基索状保护在其内部，其表面的螺纹结构使得自身与混凝土有良好的的耦合性，可与混凝土协同变形；表面监测则选取金属基带状应变传感光缆，金属基带状应变感测光缆为传感光纤被金属基带状保护在其内部，二者均为传感光纤的加工合成品，其采用优质多孔镂空金属带，可胶黏或焊接固定在被测物表面，与混凝土紧密结合变形一致。同时，考虑到基础设施均处于暴露状态，而光纤解调器对于应变和温度双重敏感，在铺设应变传感光缆的同时均实施温度补偿光缆，分别对应金属无缝管铠装温度感测光缆和金属基带状温度感测光缆。

2、应变传感光缆的布设

2.1混凝土内部损伤监测光缆布设

为了加强混凝土的力学性质，在浇筑过程中均会在其内部布置规则的钢筋构件，在布设内部监测用应变传感光缆时可借助钢筋，将其用尼龙扎带固定在钢筋表面，后期经过混凝土的浇筑二者可完全耦合。对于墙体、路面、桥梁等均可采用全面网格状布设形式，如图1所示，这样可有效避免漏检。

2.2混凝土表面健康监测光缆布设

对于混凝土健康的表面监测用应变传感光缆，通常采用金属基带状应变传感光缆，利用粘结剂使得应变传感光缆与混凝土表面良好耦合，期间为了保证表面监测用应变传感光缆呈直线布设，利用红外激光水平仪进行校正，如图1所示。

上诉两种布设方法均预留一定长度的应变传感光缆，并将传感光缆传输到数据处理与分析系统。

具体实施例：

模型搭载：

本实验搭载的模型以长×宽×高＝5850×100×40mm PVC线槽为基础，在其内部注入C30(水泥:砂＝1:1)标准的混凝土。将三条光缆以平行排列的位置关系埋设于混凝土中，每两条光缆间隔20mm。一号光缆为裸纤，将其改装成定点光缆即在光缆线上每隔200mm标记一个点，二号光缆为聚氨酯紧套光缆，同样也将其改为定点光缆使用，方法同一号光缆，三号光缆为裸纤，不做任何处理，期间二号光缆布设于一、三号线缆之间。模型搭载完毕，将整个装置置于三台STDZ-1型点荷载试验仪上，1#试验仪与2#相隔1870mm，2#与3#相间1800mm，1#距离首端320mm，3#距离尾部1860mm。为了实现均匀加压，将点荷载试验仪改装成均匀荷载仪，即将点荷载尖部拆除，同时在混凝土上下局部加上亚格力板，使其受压均匀，整个模型装置示意如图2a、b所示。

在混凝土植入性定点破坏检测中共布设三条光纤：G1、G2、G3。根据实际工程监测具体要求，结合光纤监测的特点，对试验模型进行区域交叉数据监测模拟，形成一套较为科学的光纤布设方案，完成应力变化的数据系统采集。其具体实施如下：

G1(裸纤)

布设位置：附图2b中G1所示；

埋深：20mm；

埋长：5850mm；

尾部预留：1000mm；

连接线及跳线长度：14000mm；

布设方式：每隔200mm标记一点；

G2(聚氨酯紧套光缆)

布设位置：平行于G1布设，附图2b中G2所示；

埋深：20mm；

埋长：5850mm；

尾部预留：1000mm；

连接线及跳线长度：19000mm；

布设方式：每隔200mm标记一点；

G3(裸纤)

布设位置：平行于G1、G2布设，附图2b中G3所示；

埋深：20mm；

埋长：5850mm；

尾部预留：1000mm；

连接线及跳线长度：14000mm。

数据采集：

在本次实验中需首先获得配套的光纤数据采集系统完成对模型应变背景值数据的采集，然后用STDZ-1型点荷载试验仪从3#依次加压到1#，在每次加压过程中，都需测量三组数据，分别对应两个裸纤和聚氨酯紧套光缆，目的在于三者之间相互对比，便于后期数据分析和成图解释。具体实施方案如表1所示。

表1采集实施方案

数据处理与分析：

试验过程中需要综合考虑环境温度对测试数据的影响。本次模拟试验采用基于布里渊散射的光纤传感技术，通过测量布里渊散射光的频移来测试采动条件下的应变分布特征。而布里渊频移具有对应变和温度变化的交叉敏感特性，在实际数据采集过程中常根据数据采集质量对实测的应变进行温度补偿，以实现对应变数据的精确测量。对于温度补偿的常用办法是相同温度场下布设一条自由状态的传感光纤或者选取同一测线上一段自由状态光纤，其不受应变状态的影响且该传感光纤用以监测温度的变化。理论上，从实测频移中减掉温度变化引起的频移就可以得到被测结构的真实应变。

即：

式中，ε为某一温度下实测光纤的应变；为该温度下自由状态下传感光纤应变平均值；ε′为该温度下进行温度补偿光纤真实应变。

图3a中G1、G3裸纤对于应力的测试不明显，因此在数据分析时不考虑其反应的情况。在5m之前数据曲线基本不变化，第9次数据曲线发生波动的原因在于最后一次加压导致混凝土断裂，光纤被急剧拉伸，显示出拉应变的状态。图3b前三次的加载由于压力不足，导致光缆仍处于拉应变状态，从第四次到第九次的加压，已经对混凝土产生了破坏，使其处于压应变状态。图中1.5m处光缆出现第一次压应变，紧接着3.4m处第二次压应变，4.9m处再次出现压应变。而且可以看出第二次和第三次压应变值大致相等，并且均大于第一次应变值，此处和实际情况加压方式基本相同，对于定位破坏检测在误差允许范围内也比较符合实际。第九次加压时，最后将近2m的距离突然出现应变值为正的情况，原因是由于最后一次加压时在3#加载仪处将混凝土压断，使其折断出现拉应变的情形。综上所述，分布式光纤传感光缆对于混凝土损伤具有良好的捕捉能力，可用于大型基础设施的监测，其次有效证明聚氨酯紧套光缆的选取对于混凝土的监测是可行的。