地下建筑用光纤光栅传感器阵列及其防护装置和施工方法与流程

本发明涉及一种地下建筑用光纤光栅传感器阵列及其防护装置和施工方法，属于光纤光栅传感器领域。

背景技术：

目前，光纤光栅传感技术以其优越的抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、体积小、传输损耗小、传输容量大等特点，在建筑结构健康监测领域中得到广泛的使用，然而在项目实施过程中，光纤光栅传感器及光缆的布设防护为一线施工环节，面临着恶劣的土木施工环境，所以有效的防护措施及施工工艺是系统长期稳定工作的重要保障。

光纤光栅传感器安装方式有安装式和预埋式两种，对于大型地下浇筑式建筑物，空间的局限性决定了最合适的布设方式为浇筑预埋式。理由有三：一是可提高测点布局的自由度，实现无死角布设；二是无需预留后期操作空间；三是浇筑后的建筑结构对光纤光栅传感器及光缆形成了极佳的保护。

光纤光栅传感器的核心部件为位于裸光纤上的一段光纤光栅，裸光纤本身质地脆弱，易断裂，要提高光纤光栅传感器的环境适应性及使用寿命，根本上讲就是提高光纤的环境适应性及长期工作稳定性。影响光纤使用寿命的因素主要有：一、光纤表面的微裂纹的存在和扩大；二、大气环境中的水和水蒸气分子对光纤表面的侵蚀；三、不合理敷设光缆时残留下来的应力长期作用。在土木施工现场，钢筋结构的架设，混凝土浇筑及振动捣实过程中，会直接对埋设的光纤光栅传感器及其光纤连接通道带来水汽和应力的作用，此外光纤光栅传感器的光纤通道连接通常采用熔接的方式，其操作精细，在土木工程粗放型的施工现场存在极大的施工难度。

因此，能否在粗放型土木施工现场，尤其在混凝土振动捣实及固化期间对光纤光栅传感器及光缆提供有效保护；能否实现光纤光栅传感器布设与钢架结构构建同步进行，无施工交叉影响，实现无死角光纤光栅传感器布设；能否实现监测系统的长期工作稳定，在建筑物动辄几十年甚至上百年的使用寿命中发挥应有的作用，主要取决于光纤光栅传感器，光纤及其熔接点的防护措施是否长期稳定、有效。

技术实现要素：

本发明提供了一种地下建筑用光纤光栅传感器阵列及其防护装置和施工方法。

本发明提供的光纤光栅传感器阵列，由多个测试通道组成，每个测试通道由若干光纤光栅传感器串联组成，相邻的两个光纤光栅传感器连接处通过光纤熔接方式连接。传感器两端均可传输光信号，相应地每个通道两端均可传输光信号。测试系统工作时，宽带光源经由耦合器、程控光开关、配线设施、主光缆、单模单芯铠装光缆为测试通道中的每个光纤光栅传感器提供宽带光源，光纤光栅传感器进行波长调制并将其从原路反射回去，通过耦合器耦合进入光纤光栅解调仪，解调并转换为电信号后传输到控制主机进行数据分析及存储，另外，程控光开关受控制主机的控制进行通道切换。

防护装置包括传感器、熔接点和单模单芯铠装光缆的防护。光纤光栅传感器之间、传感器与铠装光缆的连接处均采用裸光纤熔接的方式设置成熔接点。

本发明提供一种地下建筑用光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器的中心为一根裸光纤，裸光纤中部经光刻形成布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅经金属化处理后焊接固定于两个固定端子上，固定端子与弹性梁通过螺纹连接；弹性梁中部设有栅栏结构，每两个栅栏结构之间交叉90度；弹性梁两端设有防水槽卡放橡胶圈，并整体穿套金属套管；固定端子与套接柱通过螺纹连接；套接柱的端部安装压接端子；光纤光栅外延的纤芯穿入铠装光缆，铠装光缆在压接端子处压接固定，结合部位放置准直套管；光纤光栅传感器两端的套接柱是由宝塔状和精密螺纹两种结构组成的柱体。

光纤光栅传感器制造方案为：裸光纤中部经光刻形成的布拉格光栅作为核心敏感单元，对其及与之相邻的一小段裸光纤进行金属化处理后焊接于两个固定端子上，这两个固定端子提前与弹性梁螺纹连接。弹性梁两端具有防水槽，放置橡胶圈后再次整体穿套金属套管，然后在其两端安装套接柱，套接柱的另一端安装压接端子，单模单芯铠装光缆的保护结构在穿套裸光纤后在压接端子处压接固定。

上述方案中，所述防水槽内设有橡胶圈。

上述方案中，所述布拉格光纤光栅的两端与固定端子通过焊接的方式固定。

上述方案中，其内部的布拉格光栅及与之相邻的一小段裸光纤进行金属化处理，极大地提高了光纤光栅的应变灵敏度，同时也提高了防水、防潮、抗应力及长期工作稳定性。金属化处理后的布拉格光栅与固定端子焊接在一起，极大地提高了光纤光栅灵敏度，同时也提高了长期工作稳定性。中部的弹性梁栅栏结构可实现多维拉伸及弯折，使其具备了同时感应拉伸、弯曲、扭曲三种形式的应变。穿套于弹性梁上的金属套管及橡胶圈，可以对其内部裸光纤及光纤光栅，提供防水、防潮、抗震、抗应力防护。

本发明提供一种地下建筑用光纤光栅传感器阵列防护装置，其中传感器的防护装置设置在光纤光栅传感器外侧，防护装置包括防护硬管、螺母、支座、喉箍、防护软管。防护硬管穿套于光纤光栅传感器外侧，其间隙填充满硅胶类防水填充材料，进行防水、隔震及抗径向挤压防护；光纤光栅传感器两端对称设置有螺母、支座、喉箍，光纤光栅传感器通过螺母及支座与主钢筋固定，其中支座焊接在主钢筋上；防护软管套接于光纤光栅传感器两端的套接柱上，通过喉箍箍紧，防护软管内包括连接传感器的所有单模单芯铠装光缆及其熔接点，各段防护软管之间通过熔接点处的防护装置连接密封。

光纤光栅传感器两端的套接柱的宝塔状结构外侧设有防护软管，套接柱的精密螺纹结构通过螺母将光纤光栅传感器固定于支座上，采用双螺母对顶的方式防松，通过调整螺母位置来校准光纤光栅传感器。

上述防护装置的安装方法如下：

（1）在单模单芯铠装光缆与压接端子结合部位放置准直套管，避免光纤过度折弯造成的光信号衰减及应力聚集；

（2）防护软管套接于光纤光栅传感器套接柱上，并通过喉箍箍紧；

（3）支座与主钢筋通过焊接的方式固定，光纤光栅传感器通过螺母与支座固定，采用双螺母对顶的方式防松，通过调整螺母位置来校准光纤光栅传感器；

（4）光纤光栅传感器中部穿套防护硬管材，其间隙填充满硅胶类防水填充材料，对光纤光栅传感器进行防水、隔震及抗径向挤压防护。

熔接点的防护装置从内到外依次为光纤热缩管、金属细管、防护软管和双头外丝管材。

熔接点防护方案的操作如下：熔接点处光纤热缩管形成第一道防护，再穿套金属细管形成第二道防护，再穿套防护软管形成第三道防护，最后穿套双头外丝管材形成第四道防护。

单模单芯铠装光缆的防护装置是指光缆外穿套的防护软管。

本发明提供的熔接点防护方案：

（1）所有单模单芯铠装光缆外穿套防护软管，防护软管具有柔软，壁厚的特征，增强了单模单芯铠装光缆径向抗挤压和防水性能和轴向的抗牵引性能；

（2）光纤通过熔接的方式对接，光纤熔接点使用光纤热缩管形成第一道防护，穿套金属细管形成第二道防护，穿套防护软管形成第三道防护，穿套双头外丝管材形成第四道防护，这样在径向上具备了极佳的抗震动，抗冲击，抗挤压，防水性能；同时金属细管与单模单芯铠装光缆压接牢固，双头外丝管材与防护软管由迫紧头紧密结合，这样在轴向上与单模单芯铠装光缆具备了一致的抗牵引性能。

纵观光纤熔接点防护装置，径向上为裸光纤提供了抗震动，抗冲击，抗挤压，防水的一系列保护，轴向上裸光纤在单模单芯铠装光缆本身已有的双重松套结构的基础上又增加了一层防护软管对单模单芯铠装光缆的松套保护，进而具备了更加优越的抗牵引性能，施工现场反应各防护效果俱佳。

本发明提供了一种地下建筑用光纤光栅传感器阵列的防护装置，其施工工艺如下：

首先，将光纤光栅传感器通过单模单芯铠装光缆连接成通道，并对光纤光栅传感器，单模单芯铠装光缆及熔接点按上述的方式进行防护，随后，周转运输进入施工现场，安装调试光纤光栅传感器，并布设通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

（1）光纤光栅传感器的光纤光栅部位经金属化处理并通过焊接的方式与固定端子固定，而光纤光栅传感器支座与主钢筋之间也是焊接固定，从极大地提高了光纤对应变量的感知能力；

（2）弹性梁结构使其具备了同时感应拉伸、弯曲、扭曲三种形式的应变的能力；

（3）光纤光栅传感器的防护方案实现了对光纤光栅传感器进行防水、隔震及抗径向挤压防护；

（4）光纤及熔接点的防护方案，在径向上，为光纤提供了抗震动、抗冲击、抗挤压、防水的一系列保护；在轴向上，通过三重松套结构，使单模单芯铠装光缆具备了极佳的抗牵引能力；光纤熔接点的防护方案为熔接点提供了三重抗折弯保护；

（5）施工工艺方面，通过将测试通道的连接、光纤熔接、产品防护等工序安排到场外洁净场所进行，满足了光纤熔接对环境的要求，在提高了作业效率的同时，也极大地改善了施工人员的作业生态。

附图说明

图1为本发明测试系统示意图；

图2为本发明光纤光栅传感器结构示意图；

图3为本发明弹性梁结构示意图；

图4为本发明光纤光栅传感器及其防护装置示意图；

图5为本发明光纤及其熔接点防护装置示意图；

图6为本发明安装示意图；

图中，1.光纤光栅传感器阵列，1-1.光纤光栅传感器，1-1-1.压接端子，1-1-2.裸光纤，1-1-3.套接柱，1-1-4.橡胶圈，1-1-5.弹性梁，1-1-6.金属套管，1-1-7.固定端子，1-1-8.布拉格光纤光栅.1-1-9:铠装披覆.1-1-10:准直套管，1-2.喉箍，1-3.螺母，1-4.支座，1-5.防护硬管，2.光缆保护装置，2-1.铠装光缆，2-2.防护软管，3.光纤熔接点防护装置，3-1.迫紧头，3-2.双头外丝管材，3-3.光纤热缩管，3-4.金属细管，4.配线设施，5.主干光缆，6.程控光开关，7.宽带光源，8.耦合器，9.光纤光栅解调仪，10.控制主机，11.主钢筋。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1所示，一种用于大型地下建筑的分布式光纤光栅传感器（1-1），是由多个测试通道组成的用于地下建筑的光纤光栅传感器阵列（1）。宽带光源（7）产生后经过耦合器（8）、程控光开关、配戏设施、主干光缆（5）、单模单芯铠装光缆（2-1），传输到测试通道。测试通道首尾两端均可接收宽带光源（7），随后各光纤光栅传感器（1-1）生成特定的波长调制光信号并沿原路反射回去。光信号通过单模单芯铠装光缆（2-1），配线设施（4），主干光缆（5）到达程控光开关（6），程控光开关受控制主机（10）的控制在特定时序开启对应传输通道，随后光信号通过耦合器（8）到达光纤光栅解调仪（9），经过解调并转换成电信号，并按指定通讯协议传输到控制主机（10）。控制主机（10）对数据进行分析、判别、存储等一系列的处理操作，完成对大型地下建筑的结构健康状态的监测。

图1中，每个测试通道由若干个光纤光栅传感器（1-1）串联组成，光纤光栅传感器（1-1）与主钢筋（11）固定为一体时，用于测量主钢筋（11）的应变情况，处于自由放置状态时，用于测量所在通道的实时环境温度，利用测得的温度对应变量进行温度补偿校准。

如图2、3所示，光纤光栅传感器（1-1）的中心为一根裸光纤（1-1-2），裸光纤中部经光刻形成布拉格光纤光栅（1-1-8），布拉格光纤光栅经金属化处理后焊接于两个固定端子（1-1-7）上，这两个固定端子（1-1-7）与弹性梁（1-1-5）通过螺纹连接。弹性梁（1-1-5）中部设有栅栏结构，每两个栅栏结构之间交叉90度；弹性梁两端设有防水槽，放置橡胶圈（1-1-4）后再次整体穿套金属套管（1-1-6），在金属套管两端分别设有套接柱（1-1-3），固定端子与套接柱通过螺纹连接；套接柱（1-1-3）的另一端安装压接端子（1-1-1），单模单芯铠装光缆（2-1）的保护结构在穿套裸光纤（1-1-2）后在压接端子（1-1-1）处压接固定；

图3中，位于光纤光栅传感器（1-1）中部的为弹性梁（1-1-5），特殊结构使其可以轴向拉伸，径向弯曲及绕轴转动，使得光纤光栅传感器（1-1）具备了同时感应拉伸、弯曲、扭曲三种形式的应变。

如图2~4所示，光纤光栅传感器（1-1）主体两端分别设有套接柱（1-1-3），套接柱（1-1-3）是由宝塔状和精密螺纹两种结构组成的柱体，其宝塔状端头便于与配套的防护软管（2-2）快速套接，与宝塔状端头相邻的部分为精密螺纹，与紧固螺母（1-3）配套，配套有四只专用的螺母（1-3），通过支座（1-4）固定并调校光纤光栅传感器（1-1），利用双螺母（1-3）对顶的方式固定光纤光栅传感器（1-1）。在单模单芯铠装光缆（2-1）与压接端子（1-1-1）结合部位放置准直套管（1-1-10），避免光纤过度折弯造成的光信号衰减及应力聚集。防护软管（2-2）套接于光纤光栅传感器（1-1）两端的套接柱（1-1-3）上，并通过喉箍（1-2）箍紧。

如图5所示，光纤通过熔接的方式连接，形成熔接点。光纤光栅传感器（1-1）之间及与铠装光缆（2-1）的连接处采用裸光纤（1-1-2）熔接的方式设置成熔接点，光纤熔接点采用光纤热缩管（3-3）形成第一道防护后，穿套金属细管（3-4）形成第二道防护，穿套防护软管（2-2）形成第三道防护，最后穿套双头外丝管材（3-2）形成第四道防护。另外，金属细管（3-4）与单模单芯铠装光缆（2-1）压接牢固，双头外丝管材（3-2）与防护软管（2-2）由迫紧头（3-1）紧密结合。纵观光纤熔接点防护结构，在径向上，为光纤提供了抗震动，抗冲击，抗挤压，防水的一系列保护，更是为熔接点提供了三重抗折弯保护；在轴向上，裸光纤（1-1-2）在单模单芯铠装光缆（2-1）本身已有的两重松套结构（即松套管和铠装结构）的基础上又增加了一层防护软管（2-2）对单模单芯铠装光缆（2-1）的松套保护，而具备了更大的抗牵引缓冲。现场施工及混凝土浇筑反应，光纤及其熔接点的防护方案，为脆弱的裸光纤（1-1-2）尤其是光纤熔接点提供了极佳的防护。

如图6所示，光纤光栅传感器（1-1）通过螺母（1-3）及支座（1-4）与主钢筋（11）固定，支座（1-4）与主钢筋（11）在安装前通过焊接的方式固定。在光纤光栅传感器（1-1）中部穿套防护硬管（1-5），其间隙填充满硅胶类防水填充材料，对光纤光栅传感器（1-1）进行防水、隔震及抗径向挤压防护。

本发明提供了地下建筑用光纤光栅传感器阵列的防护装置的施工方法：首先，将光纤光栅传感器通过单模单芯铠装光缆连接成通道，并对光纤光栅传感器、单模单芯铠装光缆及熔接点进行防护：最后，周转运输进入施工现场，安装调试光纤光栅传感器，并布设通道。

进一步地，对光纤光栅传感器、单模单芯铠装光缆进行防护的方法为：

（1）在单模单芯铠装光缆与压接端子结合部位放置准直套管，避免光纤过度折弯造成的光信号衰减及应力聚集；

（2）防护软管套接于光纤光栅传感器套接柱上，并通过喉箍箍紧；

（3）支座与主钢筋通过焊接的方式固定，光纤光栅传感器通过螺母与支座固定，采用双螺母对顶的方式防松，通过调整螺母位置来校准光纤光栅传感器；

（4）光纤光栅传感器中部穿套防护硬管材，其间隙填充满硅胶类防水填充材料，对光纤光栅传感器进行防水、隔震及抗径向挤压防护。

进一步地，对熔接点进行防护的方法为：

光纤通过熔接的方式对接，光纤熔接点使用光纤热缩管形成第一道防护，穿套金属细管形成第二道防护，穿套防护软管形成第三道防护，穿套双头外丝管材形成第四道防护；同时金属细管与单模单芯铠装光缆压接牢固，双头外丝管材与防护软管由迫紧头紧密结合，这样在轴向上与单模单芯铠装光缆具备了一致的抗牵引性能。