一种基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测装置的制作方法

本实用新型涉及预应力锚索监测技术领域，尤其适用于预应力锚索腐蚀监测。

背景技术：

自1934年预应力锚固技术在阿尔及利亚的舍尔法大坝混凝土坝加固和缺陷处理中成功应用以来，预应力锚固技术以其工艺简便、效果突出的特点，得到了全球科学家及工程师的广泛认可。我国自梅山水库连拱坝左右坝肩加固中首次采用预应力锚固技术以来，已经成为我国水利水电工程高边坡、坝基等工程的主要加固手段。但预应力锚索作为一种深埋于地下的高应力结构，工作环境存在着以水为载体的腐蚀性介质，在其自由段及内锚固段极易产生锚索腐蚀问题。因此，伴随着岩土锚固技术的广泛应用，工程实践中预应力锚索腐蚀破坏屡见不鲜。

然而，由于预应力锚索具有隐蔽性，加之所处地质环境复杂，在其工程质量评价和监督方面都具有一定难度。目前还没有可行的方法来准确评价自然环境变化条件下预应力锚索随时间的腐蚀劣化程度，也无法对边坡、坝基中预应力锚固体系的长期耐久性进行评价。因此，发展一种预应力锚索长期监测方法已成为工程技术人员应对这一问题的一个重要选项。

全分布式光纤传感器根据外界的环境参数(如应变、温度、振动、折射率、加速度和电压等)变化引起光纤光学特性的改变(如光波相位、频率、偏振态和功率等)获得光纤沿线的外部环境信息。目前普通钢筋的腐蚀检测采用白光干涉腐蚀传感器、布里渊分布式光纤传感器和低相干光纤应变传感器，通过测试光强及频移信号的改变推测腐蚀。其中白光干涉腐蚀传感器、布里渊分布式光纤传感器通过将光纤紧密缠绕在钢筋或砂浆垫层上形成光纤线圈测试钢筋腐蚀产生的膨胀应变，实现了钢筋的腐蚀测量，基于Michelson干涉原理的低相干光纤应变传感器，实现了结构形变在1000με以上的长期腐蚀监测。但是上述方法存在三个问题，一是该方法对于轻微的腐蚀不敏感，尤其是局部腐蚀，二是随着锈胀应变的增加(>1000με)，光纤线圈受到局部挤压导致光纤微弯加剧，致使布里渊信号信噪比明显降低，无法测到钢筋锈胀信息；三是光纤复合方法不适用于预应力锚索。除此之外，钢筋的腐蚀测试方法也有基于锈胀原理通过环向布设传感光纤测试光纤布里渊频移信号变化反映腐蚀。然而由于空间分辨率的限制，全分布式传感技术难以反映出局部应变的变化特征，上述研究均通过增加布里渊分布式传感器长度(形成光纤线圈) 来解决测试精度低及腐蚀损伤定位的难题。但此举却将分布式测量转变为点式测量，导致只能测量钢筋的均匀腐蚀，不能实锚索局部腐蚀监测，准确诊断锚索的腐蚀情况，掌握结构损伤程度，预测剩余使用寿命，无法发挥全分布式传感技术的优势。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测装置，能实现预应力锚索的局部腐蚀监测，而且灵敏度高，能准确诊断锚索的腐蚀情况，掌握结构损伤程度，预测剩余使用寿命。还可配合实现复合式预应力锚索腐蚀损伤监测。不仅在预应力锚索加固结构的运行安全等方面能起到重要作用，还能对锚索结构的破坏机理与锚固结构的理论设计提供指导，具有重要的科学意义和工程实用价值。

本实用新型的主要技术方案是：一种基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测装置，其特征在于：包括能与被测锚索轴向固定布置的轴向分布光纤、用于定位的光纤光栅和用于解调光信号的分布式解调仪，所述轴向分布光纤为一条以上；每条轴向分布光纤为单根轴向线或为2根以上轴向线呈首尾相接串联式；所述轴向分布光纤的一端与用于定位的光纤光栅的一端连接，光纤光栅的另一端与用于解调光信号的分布式解调仪连接，所述轴向分布光纤的另一端与分布式解调仪的另一接口连接。

优选的，所述能与被测锚索轴向固定布置为，轴向分布光纤能固定于锚索的表面，或固定于锚索的中心钢绞线的表面或内置于中心钢绞线中。

优选的，所述轴向分布光纤为单根轴向线或为2根以上轴向线呈首尾相接串联式。

优选的，所述轴向分布光纤为2条以上。

上述任一项所述的一种基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测装置，其特征在于：还包括有能固定分布于锚索的外表面处的螺旋缠绕式光纤，所述螺旋缠绕式光纤、轴向分布光纤和光纤光栅相串联，其串接方式为下列三种之一：一种是螺旋缠绕式光纤位于中间，其它两种组元分布于两侧，一种是光纤光栅位于中间，其它两种组元分布于两侧，最后一种是轴向分布光纤位于中间，其它两种组元分布于其两侧；分布于两侧的组元分别与用于解调光信号的分布式解调仪连接。

优选的，所述螺旋缠绕式光纤为单个螺旋式，或为2个以上的单个螺旋串联式。

优选的，所述的螺旋缠绕式光纤为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅为布喇格光栅。

以上装置是基于以下方法。一种基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测方法，该方法包括：在被测锚索上轴向固定布置有轴向分布光纤，所述轴向分布光纤的一端与用于定位的光纤光栅的一端连接，所述光纤光栅位于被测锚索上或被测锚索之外，所述光纤光栅一端与被测锚索1 之间的相对位置为已知量，光纤光栅的另一端与用于解调光信号的分布式解调仪连接，所述轴向分布光纤的另一端与分布式解调仪的另一接口连接；所述轴向分布光纤为一条以上；每条轴向分布光纤为单根轴向线或为2根以上轴向线呈首尾相接串联式；当锚索发生局部腐蚀时，由于腐蚀部位的锚索的截面积减小刚度下降，即可引起该部位的应变急剧增加，从而导致轴向分布在该部位的轴向分布光纤的应变急剧增加；温度与应力的变化会导致光纤中散射光光谱特征发生变化，通过分布式解调技术解调出光纤中散射光光谱的变化，即可反演出光纤的温度与应力的变化，从而实现锚索局部腐蚀的监测。

优选的，所述的轴向分布光纤复合固定于锚索的表面，或固定于锚索的中心钢绞线的表面或内置于中心钢绞线中。

优选的，所述的轴向分布光纤为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅为布喇格光栅。

优选的，所述的分布式解调技术为基于布里渊散射的时域分析技术 BOTDA、时域反射技术BOTDR、光频域分析技术BOFDA或者基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

改进的，所述的基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测方法，还设有有螺旋缠绕式光纤，所述螺旋缠绕式光纤螺旋固定分布于锚索的外表面处，所述轴向分布光纤、轴向分布光纤和光纤光栅相串联，其串接方式为下列三种之一：一种是螺旋缠绕式光纤位于中间，其它两种组元分布于两侧，一种是光纤光栅位于中间，其它两种组元分布于两侧，最后一种是轴向分布光纤位于中间，其它两种组元分布于其两侧；分布于两侧的组元分别与用于解调光信号的分布式解调仪连接；所述螺旋缠绕式光纤为单个螺旋式，或为2个以上的单个螺旋串联式；当锚索发生整体腐蚀膨胀时，螺旋分布在锚索上的螺旋缠绕式光纤受拉，其应变会随之增加，从而通过分布式解调技术同时实现锚索整体腐蚀膨胀的监测。

优选的，所述的螺旋缠绕式光纤复合固定于锚索的表面，或者复合固定于锚索周围的结构上。

优选的，所述的螺旋缠绕式光纤为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅为布喇格光栅。

优选的，所述的分布式解调技术为基于布里渊散射的时域分析技术 BOTDA、时域反射技术BOTDR、光频域分析技术BOFDA或者基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

本实用新型的积极效果是：能实现预应力锚索的局部腐蚀监测，而且灵敏度高，能准确诊断锚索的腐蚀情况，掌握结构损伤程度，预测剩余使用寿命。还可配合实现复合式预应力锚索腐蚀损伤监测。可进行整体腐蚀膨胀的损伤监测。整体腐蚀膨胀包括均匀腐蚀、成片腐蚀。本实用新型方法简单可靠，方便工程安装，实用性强，不仅可以实现预应力锚索均匀腐蚀监测，还可以实现局部腐蚀监测。不能提高了腐蚀监测精度，提高了腐蚀程度的测量范围，灵敏度高，能准确诊断锚索的腐蚀情况，掌握结构损伤程度，预测剩余使用寿命。适合于不同类型、不同腐蚀阶段的锚索腐蚀监测。测试精度高，腐蚀损伤定位准确。不仅在预应力锚索加固结构的运行安全等方面能起到重要作用，还能对锚索结构的破坏机理与锚固结构的理论设计提供指导，具有重要的科学意义和工程实用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图及工作状态图。

图2为粘贴有光纤并带有缺口的锚杆受力图。

图3为带有缺口的锚杆在受拉情况下的应力测试图。

图4为锚杆均匀腐蚀情况下的锈胀测试结果图。

图中各标号含义为：1、被测锚索，2、光纤，2-1、轴向分布光纤， 2-2、螺旋缠绕式光纤，3、光纤光栅，4、分布式解调仪，5、缺口。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型的保护范围不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：一种所述的基于光纤传感的预应力锚索腐蚀损伤监测装置，包括能与被测锚索1轴向固定布置的轴向分布光纤2-1、用于定位的光纤光栅3和用于解调光信号的分布式解调仪4，所述轴向分布光纤2-1 为一条以上；每条轴向分布光纤2-1为单根轴向线或为2根以上轴向线呈首尾相接串联式；所述轴向分布光纤2-1的一端与用于定位的光纤光栅3 的一端连接，光纤光栅3的另一端与用于解调光信号的分布式解调仪4 连接，所述轴向分布光纤2-1的另一端与分布式解调仪4的另一接口连接。

其应用基于以下方法：

该方法包括：在被测锚索1上或被测锚索1外表面周围结构上轴向布置有轴向分布光纤2-1，所述轴向分布光纤2-1的一端与用于定位的光纤光栅3的一端连接，所述光纤光栅3位于被测锚索1上及被测锚索1之外(任何位置均可)，所述光纤光栅3一端与被测锚索1之间的相对位置为已知量。光纤光栅3的另一端与用于解调光信号的分布式解调仪4 连接，所述轴向分布光纤2-1的另一端与分布式解调仪4的另一接口连接；所述轴向分布光纤2-1为一条以上；每条轴向分布光纤2-1为单根轴向线或为2根以上轴向线呈首尾相接串联式；所述的光纤光栅3位于锚索之外时，所述光纤光栅3的一端与被测锚索1一端之间光纤长度为已知量；当光纤光栅位于锚索之上时，所述光纤光栅3到与被测锚索1的相对位置为已知量；当锚索1发生局部腐蚀时，由于腐蚀部位的锚索1的截面积减小刚度下降，即可引起该部位的应变急剧增加，从而导致轴向分布在该部位的轴向分布光纤2-1的应变急剧增加；温度与应力的变化会导致光纤中散射光光谱特征发生变化，通过分布式解调技术解调出光纤中散射光光谱的变化，即可反演出光纤的温度与应力的变化，从而实现锚索1 局部腐蚀的监测。所述的轴向分布光纤2-1复合固定于锚索1的表面，或固定于锚索1的中心钢绞线的表面或内置于中心钢绞线中。

所述的轴向分布光纤2-1为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅3为布喇格光栅。

所述的分布式解调技术为基于布里渊散射的时域分析技术BOTDA、时域反射技术BOTDR、光频域分析技术BOFDA或者基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

实施例2：在实施例1的基础上，还包括有能固定分布于锚索1的外表面处的螺旋缠绕式光纤2-2，所述螺旋缠绕式光纤2-2、轴向分布光纤 2-1和光纤光栅3相串联，其串接方式为下列三种之一：一种是螺旋缠绕式光纤位于中间，其它两种组元分布于两侧，一种是光纤光栅位于中间，其它两种组元分布于两侧，最后一种是轴向分布光纤位于中间，其它两种组元分布于其两侧；分布于两侧的组元分别与用于解调光信号的分布式解调仪4连接；所述螺旋缠绕式光纤2-2为单个螺旋式，或为2个以上的单个螺旋串联式。优选的，所述的螺旋缠绕式光纤2-2为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅3 为布喇格光栅。

其测试基于以下方法：

当锚索1发生整体腐蚀膨胀时，螺旋分布在锚索1上的螺旋缠绕式光纤2-2受拉，其应变会随之增加，从而通过分布式解调技术同时实现锚索1整体腐蚀膨胀的监测。

所述的螺旋缠绕式光纤2-2复合固定于锚索1的表面，或者复合固定于锚索1周围的结构上；所述螺旋缠绕式光纤2-2为单个螺旋式，或为2 个以上的单个螺旋串联式。所述的螺旋缠绕式光纤2-2为普通单模光纤，所述的普通单模光纤为布里渊散射谱为单峰的光纤，所述的光纤光栅3 为布喇格光栅。所述的分布式解调技术为基于布里渊散射的时域分析技术BOTDA、时域反射技术BOTDR、光频域分析技术BOFDA或者基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

对本实用新型进一步表述如下：本实用新型包括轴向分布在锚索1 表面的表面光纤2-1、螺旋式分布在锚索1上的螺旋缠绕式光纤2-2、用于定位的光纤光栅3以及用于解调光信号的分布式解调仪4。所述的轴向分布光纤2-1与螺旋缠绕式光纤2-2由同一根光纤制成，或者二者分别安装后通过熔接等方式连接在一起。所述的解调仪4采用分布式解调技术，比如基于布里渊散射的时域分析技术(BOTDA)、时域反射技术 (BOTDR)、光频域分析技术(BOFDA)或者基于瑞利散射的分布式光纤传感技术等，但是不局限于此。

众所周知，温度和应力的变化会导致光纤中散射光光谱特征发生变化，通过分布式解调技术解调出光纤中散射光光谱的变化，即可反演出光纤的温度与应力变化，当预应力锚索1的应力发生变化时，轴向分布在锚索1上的轴向分布光纤2-1的应力也会随之发生变化；同理，当锚索1发生腐蚀膨胀时，螺旋分布在锚索1上的螺旋缠绕式光纤2-2也会随之产生拉应变。在此基础之上建立锚索1腐蚀与应变之间函数关系、应变与光纤背向散射信号(如布里渊反射光谱)的频移之间的函数关系，即可通过采用分布式解调技术的解调仪4来实时监测光纤背向散射信号频移量来实现对锚索1腐蚀的实时监测。

由于光纤光栅3的反射光谱特征与光纤2的背向散射光谱特征不同，即可通过分布式解调仪4读取出光纤光栅3与锚索1腐蚀事件之间的位置关系，在光纤光栅3与锚索的相对位置已知的情况下，即可实现对锚索1腐蚀事件的精确定位。

当锚索1发生局部腐蚀时，由于腐蚀部位的锚索1的截面积减小刚度下降，轻微的腐蚀即可引起该部位的应变急剧增加，导致轴向分布在该部位的轴向分布光纤2-1的应变急剧增加，从而实现锚索1局部腐蚀的监测；当锚索1发生整体腐蚀膨胀时，螺旋分布在锚索1上的螺旋缠绕式光纤2-2受拉，其应变也会随之增加，从而可以实现锚索1的整体腐蚀监测。锚索1轻微的腐蚀可引起轴向分布光纤2-1的应变变化，严重腐蚀导致的膨胀可引起螺旋分布在锚索1上螺旋缠绕式光纤2-2的应变变化，因此，该方法不仅能提高锚索1腐蚀监测的精度，还能同时解决因锈胀应变大布里渊信号信噪比显著降低的问题，轴向分布光纤2-1与螺旋缠绕式光纤2-2互为补充，互相验证，分别适合不同类型、不同腐蚀阶段的锚索腐蚀监测。

为了验证该方法的可行性，在实验室分别进行了带有缺口锚杆(模拟局部腐蚀)的径向拉伸测试与锚杆腐蚀测试。

将轴向分布光纤2-1轴向粘贴于带有缺口5的锚索1钢丝上(如图2 所示)，并将锚杆安装与拉伸试验机上，按照图1所示的光路将光纤接入BOTDA，其中所用光纤的总长度月为20m，粘贴在锚索1钢丝上的轴向分布光纤2-1的长度约为0.5m，缺口位于16.9m的位置，通过拉伸试验机对锚杆进行拉伸试验，拉伸结果如图3所示，由图3可以看出缺口位置的应变明显大于其它位置，由此可以验证了该方法能够实现预应力锚索局部腐蚀监测。

螺旋缠绕式光纤2-2螺旋分布在锚索1上，并将锚索放入盐水中采用电化学法加速腐蚀，该腐蚀为均匀腐蚀，理论计算出的腐蚀率与采用 BOTDA技术测试出的应变关系如图4所示，由此可以验证了该方法测量预应力锚索均匀腐蚀的可行性。

上述钢绞线一般有5丝和7丝钢绞线，中心的一根称为中心钢绞线。通常轴向分布光纤要布置在中心钢绞线的表面或内置于中心钢绞线中。

上述测量腐蚀损伤类型：局部腐蚀。局部腐蚀监测原理：发生局部腐蚀时，由于腐蚀部位的锚索1的截面积减小刚度下降，即可引起该部位的应变急剧增加，从而导致轴向分布在该部位的表面轴向光纤2-1的应变急剧增加；温度与应力的变化会导致光纤中散射光光谱特征发生变化，通过分布式解调技术解调出光纤中散射光光谱的变化，即可反演出光纤的温度与应力的变化，从而实现锚索1局部腐蚀的监测。

上述测量腐蚀损伤类型：均匀腐蚀或成片腐蚀。监测原理：当锚索发生整体腐蚀膨胀时，螺旋分布在锚索1上的螺旋缠绕式光纤2-2受拉，其应变会随之增加，从而通过分布式解调技术实现锚索1腐蚀膨胀的监测。

螺旋分布光纤的优势：

1)与光纤线圈测量法相比，提高了光纤散射光的信噪比，延长了腐蚀监测的寿命周期。

2)与光纤线圈测量法相比，克服了点式测量的缺陷，实现了锚索腐蚀的全分布式测量。

在本实用新型方法及装置原则基础上的一切变形、替换等，都在本实用新型的保护范围之内。