一种监测结构局部大变形的智能光电复合缆及监测方法与流程

本发明属于结构健康监测与现代检测技术领域，涉及一种监测结构局部大变形的智能光电复合缆及监测方法。

背景技术：
结构局部大变形(主要表现为结构的局部化大应变)是结构失效破坏的重要原因，其性态往往表现为强非线性(几何或材料非线性)和强耦合效应。结构局部大变形的全历程测试可为科学认识失效机理、结构性态设计与安全状态评估提供技术支持。结构的整体性态监测一般采用速度、加速度计等位移类传感器件。当材料或构件局部进入非线性大变形阶段，仅依靠位移监测数据，难以正确反映实际损伤状态；另外，“点”式位移类传感器难以有效覆盖随机性损伤信息，结构健康监测领域亟需大覆盖范围、空间连续、高精度分布式的感知元件。针对上述难题，分布式感知技术成为近年来研究热点。研究者借助瑞利、布里渊和拉曼散射特性，通过在线缆中输入脉冲信号，分析其反射(或透射)信号，使得原有的传输线缆全长均可成为具有一定空间分辨率的传感线缆，可以方便地获得结构应变、温度等物理量的分布信息。然而，结构局部大变形产生的应变可达10％以上，远远超出了玻璃光纤的变形能力，同时易发生剪切脆断，即使通过材料复合或依据应变传递分析调整封装，其应变量程很难超过2万微应变。虽然塑料光纤展现了很好的高延性和大应变特征，最大可达15％左右，但商业化的塑料光纤主要是多模光纤，色散和多模干涉制约了该技术的分布式感知能力。此外，还有人借助高延性同轴电缆的电时域反射技术初步实现了结构局部裂纹的实时监测(一种基于同轴电缆的分布式裂纹传感器，申请号：201110027121.1)，但该种方法的损伤敏感性、分布式测试与复用能力有待验证。考虑到结构局部性态(应力状态或损伤)的时空特征随着荷载作用和损伤演化过程的变化而不断变化，并在不连续点发生突变和内力重分布，这对传统定点监测方法和技术提出了挑战，目前尚缺乏结构局部大变形监测的合适手段。鉴于此，发展能够覆盖结构损伤全历程的分布式大应变感知元件，以覆盖损伤热点区域、记录过程信息，具有重要的科学价值与工程实践意义。

技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种监测结构局部大变形的智能光电复合缆及监测方法，该智能光电复合缆为分布式，具有微观高精度与宏观大应变测试能力，该监测方法能够记录结构局部大变形的过程信息。本发明的技术方案为：一种监测结构局部大变形的智能光电复合缆，该智能光电复合缆包括写入光栅的第一光纤1，由内导体2、绝缘层3和外导体4构成的同轴电缆，第二光纤5，硅橡胶6，端部保护7，传输光缆8和传输电缆9。所述的硅橡胶6作为粘结与填充介质将第一光纤1、第二光纤5和同轴电缆包裹复合为同一根缆线，硅橡胶6形成硅橡胶封装层，硅橡胶封装层在端部多出一段包裹长度，包裹传输光缆8和传输电缆9，并在端部两侧一定区域上套入铜管，作为端部保护7，硅橡胶封装层厚度应小于1.5mm，以不降低传感器的应变传递效率为准，但应考虑到封装层的整体性和保护作用。第一光纤1和第二光纤5位于同轴电缆两侧，与同轴电缆保持一定间距平行布置，第一光纤1和第二光纤5与同轴电缆的间距应大于同轴电缆外径1.5倍，以两者变形不产生耦合影响为准，但应考虑到封装层的整体性和待测结构的横向尺寸。第一光纤1通过端部保护7和传输光缆8与光开关连接，第二光纤5通过端部保护7和传输光缆8与光开关连接，光开关连接各解调仪，同轴电缆通过端部保护7与传输电缆9连接至解调仪。所述的硅橡胶5以室温固化的方式将传感用第一光纤1、第二光纤5与同轴电缆挤压定型为可协同工作的一根线缆，并形成具有防水性、耐腐蚀性、绝缘性以及抗剪切性良好的硅橡胶封装层。所述的第一光纤1为一根可任意长的普通单模光纤上写入大量光纤光栅构成的光纤传感探头，光纤光栅为等间距布置，光纤光栅的写入数量应大于同等长度的所述的同轴电缆钻孔数目。所述的第二光纤5为一根可任意长的普通单模光纤构成的光纤传感探头，传感探头第二光纤5尾端露出的尾纤可熔接第一光纤1构成环路。所述的同轴电缆为一根高延性预制同轴电缆法布里-珀罗传感探头，采用等间距钻孔法制作，所述的钻孔间距为0.2～1m；同轴电缆的钻孔数目应小于同等长度的所述的第一光纤1写入的光纤光栅数量。一种采用上述智能光电复合缆监测结构局部大变形的监测方法，具体包括以下步骤：第一步，预先设定第一光纤1、第二光纤5和同轴电缆的应变测量标距，并构建具有多级别测量标距的分布式监测系统：第一光纤1经端部保护7、传输光缆8和光开关接入光纤布拉格光栅(FBG)解调仪，其中光纤光栅的应变测量标距以光栅串生产商提供为准，一般应小于0.02m；第二光纤5经端部保护7、传输光缆8和光开关接入布里渊光时域分析/反射(BOTDA/R)解调仪，光纤传感探头的应变测量标距由BOTDA/R解调仪设定的测试空间分辨率决定，应大于等于0.02m，小于0.2m，同时第二光纤5经端部保护7、传输光缆8和光开关接入拉曼光时域反射(ROTDR)解调仪；同轴电缆经端部保护7和传输电缆8接入同轴电缆法布里-伯罗(CCFPI)解调仪，同轴电缆传感探头的应变测量标距为其钻孔间距大于等于0.2m，小于1m。第二步，采用内部预埋或表面固定的方式将智能光电复合缆布设于待测基体，通过与解调仪连接的中央处理器储存并处理智能光电复合缆监测和解调仪解调得到的应变数据。第三步，通过ROTDR解调仪解调得到的温度分布对FBG解调仪解调得到的分布式应变数据进行温度补偿修正，修正后数据的突变处即为待测基体局部大变形的出现位置；第四步，在结构局部大变形发展的早期阶段，将FBG和BOTDA/R解调仪解调得到且温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；第五步，随着损伤演化导致结构局部劣化程度加剧，若第一光纤1和第二光纤5均未损坏，将FBG和BOTDA/R解调仪解调得到且温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；若第一光纤1损坏而第二光纤5未损坏，将BOTDA/R解调仪解调得到且温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；若第一光纤1和第二光纤5均损坏，将CCFPI解调仪解调得到的分布式应变数据作为损伤信息，此时由于应变变化剧烈可忽略同期温度变化的影响；实现结构局部大变形全历程监测。工程结构失效是起始于材料底层，从材料中的孤立的空洞成核开始，形成微损伤，进而发展为宏观损伤，直至整个构件或结构破坏的跨尺度演化进程。过程监测对传感探头在损伤演化初期的高精度感知能力和损伤演化中、后期的大应变感知能力均有更加苛刻的要求。本发明考虑现有测试手段难以跟踪结构局部大变形过程损伤信息，采用智能光电复合缆解决兼具微观高精度与宏观大应变测试的瓶颈问题。本发明旨在综合局部高精度光纤传感技术和同轴电缆法布里-伯罗传感技术的优点，发挥光纤分布式传感探头对结构局部损伤的敏感性，以及同轴电缆传感探头的高延性的各自优势。目前，尚没有将分布式光纤传感技术和分布式同轴电缆传感技术合二为一构建智能传感系统的报道。本发明的效果和益处是：本发明的分布式监测系统的主要创新部件为传感线缆，具有节约布设成本、传感传输线路简单以及可操作性强，特别适合大范围、长距离的实际工程，也适用于恶劣服役环境下结构损伤演化的监测与诊断，可为工程结构的快速预警、状态评估与破坏倒塌机制研究提供技术支持。附图说明图1是本发明的智能光电复合缆的三维示意图；图2是本发明的智能光电复合缆的横截面示意图；图3是本发明的智能光电复合缆测试示意图；图中包括：1写入光栅的第一光纤；2内导体；3绝缘层；4外导体；5第二光纤；6硅橡胶；7端部保护；8传输光缆；9传输电缆。具体实施方式以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式：(一)智能光电复合缆本发明的智能光电复合缆主要结构如图1和图2所示。写入光栅的第一光纤1、第二光纤5以及由内导体2、绝缘层3和外导体4构成的同轴电缆通过室温固化硅橡胶6包裹复合，形成协同工作的分布式传感线缆。针对不同传感探头的功用，硅橡胶6的厚度需要着重考量：考虑应变传递分析，封装层平均厚度应小于1.5mm。智能光电复合缆制作工艺的主要步骤为：首先，第一光纤1与第二光纤5剥落涂覆层并用酒精清洁；其次，采用钻孔法制作同轴电缆法布里-珀罗传感探头，将同轴电缆固定于便携式台钻的底座，钻头与同轴电缆垂直，选取恰当距离作为法布里-珀罗腔的长度(大于等于0.2m，小于1m)，控制同轴电缆轴向移动与钻头垂直移动距离，精确定制腔长和钻孔深度，在钻孔处形成周期性的阻抗不连续结构；最后，将硅橡胶材料、硅烷偶联剂、光纤传感探头和同轴电缆传感探头放入事先加工的横截面如图2的模具，挤压硅橡胶成型后，待36-48小时室温固化后脱模，具有多级别测量标距和温度自补偿能力的智能光电复合缆。(二)监测方法本发明通过具有多级别测量标距智能光电复合缆感知的应变数据实现结构局部大变形过程监测，如图3所示。内部预埋或表面固定的智能光电复合缆通过硅橡胶封装层与基体接触，经由端部保护7、传输光缆8、光开关和传输电缆9分别与ROTDR解调仪、FBG解调仪、BOTDA/R解调仪和CCFPI解调仪连接，构建分布式监测系统。调节光开关使得第二光纤5通过传输光缆8与ROTDR解调仪连接，解调背向散射拉曼光信号，测得温度Ti：式中h、c、Δγ和k为普朗克常数、真空中光速、偏移波数和波尔兹曼常数；Ti0、Ti分别为初始温度、测试温度值；R(Ti0)、R(Ti)分别为初始温度、测试温度所对应的反斯托克光与斯托克光的光强比。调节光开关使得第一光纤1通过传输光缆8与FBG解调仪连接，解调光纤光栅中心波长变化，测得应变εi及温度变化ΔTi:λi＝αεεi+αTΔTi+λi0(2)式中αε、αT分别为应变和温度灵敏度系数；λi、λi0分别光纤光栅中心波长和初始中心波长。调节光开关使得第二光纤5通过传输光缆8与BOTDA/R解调仪连接，解调受激/背向布里渊散射光频率变化，测得应变εi及温度变化ΔTi:VBi＝Cεεi+CTΔTi+VBi,0(3)式中Cε、CT分别为应变和温度灵敏度系数；VBi、VBi,0分别为布里渊散射光频率和初始里渊散射光频率。同轴电缆法布里-泊罗传感探头通过传输电缆9与CCFPI解调仪连接，解调第N阶谐振频率变化，测得应变εi及温度变化ΔTi:式中fN为第N阶初始谐振频率；Er为导体材料介电常数；Peff为绝缘层材料的相对Pockels系数；αTD、αCTE分别为导体材料热膨胀系数和介电常数的热效应系数。根据式(1)通过ROTDR解调仪解调得到的温度分布对根据式(2)FBG解调仪解调得到的分布式应变数据进行温度补偿修正，修正后数据的突变处即为待测基体局部大变形的出现位置；在结构局部大变形发展的早期阶段，根据式(2)、(3)将FBG和BOTDA/R解调仪解调得到且根据式(1)温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；随着损伤演化导致结构局部劣化程度加剧，若第一光纤1和第二光纤5均未损坏，根据式(2)、(3)将FBG和BOTDA/R解调仪解调得到且根据式(1)温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；若第一光纤1损坏而第二光纤5未损坏，根据式(3)将BOTDA/R解调仪解调得到且根据式(1)温度补偿修正后的分布式应变数据换算为变形量；若第一光纤1和第二光纤5均损坏，根据式(4)采用CCFPI解调仪解调得到的分布式应变数据作为损伤信息，此时由于应变变化剧烈可忽略同期温度变化的影响。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而应当指出，本技术领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明技术方案的前提下还可以做具体地改进，其均应视为本发明的涵盖与保护范围。