监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置及方法与流程

本发明涉及监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置及方法，属于水利工程安全监测与探测领域。

背景技术：

众所周知，光波是一种电磁波，当电磁波入射到诸如光纤这样的介质中时，入射的电磁波将与组成该材料的分子或者原子相互作用，从而产生散射谱，常见的有瑞利散射、布里渊散射，通过利用这些散射光信息，人们研制了很多传感光纤监测仪器，但是当前所研发的监测设备，由于当前性能参数多样化和高标准的需求，光纤传感技术的实际应用仍然远远落后于当前对该技术的需求，其中融合传感光纤技术与声发射技术即为其中一个研究极为欠缺的领域；

在水利与土木工程中，材料内部在遭受外界温度、水荷载、重力等作用下会发生不同程度的断裂，该种断裂很多情况下是不可见的内部损伤，如果不能及时探测及发现，很可能会发展成为工程中的一个安全隐患，这种缺陷或者损伤随着时间会出现一种不断累积的不可逆过程，其可能会造成结构体发生整体或者局部的突发性失效，进而导致严重的工程问题，材料在损伤时会释放出弹性能，弹性能在材料中以弹性波的形式传播，这种弹性波被称为声发射波；

为能更好地确保工程安全、提高系统可靠性与稳定性，减少不必要的损失与成本，探索一种更先进的探测监测技术显得极为重要，由于传感光纤技术与声发射技术具有优良的监测探测性能，将其融合其必将产生重大的技术革新，为突破系统庞大、线缆过多、抗电测干扰能力差的压电陶瓷声发射检测法及当前的点式监测的光纤布拉格光栅型声发射检测系统，本发明专利融合飞秒激光光学频率梳技术与声发射技术，通过构建瑞利弹射散射、布里渊散射的光纤传感技术与声发射技术融合的新型监测探测技术，实现了可空间定位、全程分布式、高空间分辨率、高探测精度的监测探测技术，其立点新颖、结构布设简单、操作方便，具有较好的实际工程应用意义和科学研究价值。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置及方法，融合构建了光纤声发射模块、转连模块和载纤布设模块，提出使用飞秒激光光学频率梳技术与声发射技术融合，创建了可空间定位、全程分布式监测、可定量探测的多级物理尺度下、多声发射波共腔孔的多级时间延迟与多声波振动频率的监测装置和方法，具有极佳的实际工程应用和科学研究价值。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置，包括载纤布设模块和光纤声发射模块，所述载纤布设模块包括内支撑体、网孔模块和载纤模块，所述内支撑体、网孔模块和载纤模块组成圆柱状形状，所述内支撑体的截面为四边内凹的四角内凹形，内支撑体四个面为凹面，在内支撑体的四个凹面中均设有若干个网孔的网孔模块，相邻两个网孔模块之间设有载纤模块，载纤模块内包含传感光纤；

所述光纤声发射模块包括驱动电源、锁模激光器、飞秒激光光学频率梳、脉冲调制器、波分复用器、光路耦合器、放大器、接收器、探测器、控制器、混凝土结构体安全性态评价系统、声发射信号、瑞利光接收器、布里渊光接收器、光分器，所述驱动电源的输出端与锁模激光器的输入端连接，驱动电源的输入端与控制器的输出端连接，所述锁模激光器的依次与飞秒激光光学频率梳、脉冲调制器和波分复用器连接，波分复用器的输出端分别与光分器的输入端和光路耦合器的输入端相连接，光分器的输出端分别与瑞利光接收器的输入端和布里渊光接收器的输入端连接，瑞利光接收器的输出端和布里渊光接收器的输出端与控制器的输入端连接，光路耦合器的输出端与放大器的输入端和接收器的输入端连接，接收器的输出端与探测器的输入端相连接，探测器的输出端与控制器的输入端相连接，放大器的输出端与载纤布设模块中的传感光纤相连接，控制器输出端与混凝土结构体安全性态评价系统相连接。

作为优选，所述网孔模块包含载体，载体上设有沿传感光纤轴线的网孔，每一个载体上设有三角共腔网孔、圆共腔网孔、四边共腔网孔、五角共腔网孔中的一种，每个载体上的网孔形状均不同，三角共腔网孔、圆共腔网孔、四边共腔网孔和五角共腔网孔按照逆时针顺序设置。

作为优选，所述载纤模块包含阻隔块、封闭塞、双光纤通道和半圆承纤台，所述半圆承纤台与载体连接，半圆承纤台内设有双光纤通道，双光纤通道内设有两条传感光纤，在半圆承纤台顶部的两边分别铰接有封闭塞，两个封闭塞通过阻隔块锁紧。

作为优选，所述半圆承纤台内设有分隔两条传感光纤的隔纤壁。

作为优选，所述隔纤壁为真空绝热板，所述通过封闭塞绕着弯转折轴的转动，将双光纤通道固定在半圆承纤台中，封闭塞闭合后，将阻隔块扣至于隔纤壁的外端，以将封闭塞闭合处进行封闭，隔纤壁主要作用是将双光纤通道中两个相邻传感光纤之间的传热进行隔离阻断，防止相邻两个传感光纤产生相互的温度交叉影响，因此，隔纤壁为真空绝热材料。

作为优选，还包含转连模块，所述转连模块包含第一底座和第二底座，第一底座通过第一套环与折轴外延柱连接，第二底座通过第二套环与折轴外延柱连接，第一套环和第二套环上均设有锁紧装置，第一底座的上端布设有第一载纤弯孔，第二底座的上端布设有第二载纤弯孔，折轴外延柱设有内通孔，在内通孔内设有弯转折轴，弯转折轴的上端面设有固定栓塞。

一种上述的监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置的运行方法，包括以下步骤：

第一步，搭建光纤声发射模块、转连模块和载纤布设模块中各部件所构成的监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置，卸掉阻隔块，绕着弯转折轴转动两侧的封闭塞，将八根传感光纤按照两个一组的形式布设到四个双光纤通道中，绕着弯转折轴将两侧的封闭塞关闭，按压封闭塞对接处，将阻隔块穿过隔纤壁的上端，将两侧的封闭塞闭合处进行固定；

第二步，在载纤布设模块可能出现弯曲位置处，将由网孔模块和载纤模块构建的组件放置到第一载纤弯孔和第二载纤弯孔处，按照工程的需要转动弯转折轴，进而带动第一底座和第二底座的旋转，从而使得第一载纤弯孔和第二载纤弯孔之间形成一定的夹角，后将固定栓塞套入弯转折轴中，并将弯转折轴固定，进而固定第一载纤弯孔和第二载纤弯孔之间的角度；

第三步，将光纤声发射模块中的各个部件打开，通过控制控制器启动驱动电源，从而激励锁模激光器产生飞秒激光光学频率梳，通过脉冲调制器、波分复用器、光分器进实现对飞秒激光光学频率梳的调制；

第四步，当待测结构体某处出现损伤时，会产生声发射信号，通过五角共腔网孔、三角共腔网孔、圆共腔网孔和四边共腔网孔进行传播的声发射信号会按照不同的时间与频率传导到载纤布设模块的传感光纤中，传感光纤中的瑞利散射光信息和布里渊散射光信息会产生影响，通过瑞利光接收器、布里渊光接收器可对变化的瑞利散射光信息和布里渊散射光信息的飞秒激光光学频率梳进行接收与探测，后通过控制器汇集到混凝土结构体安全性态评价系统中进行分析与研究，对结构体损伤的位置、程度等信息进行评估与分析。

有益效果：本发明的监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置，引入飞秒激光光学频率梳技术与声发射技术进行融合，分离瑞利弹射散射和布里渊散射实现分级感知声发射波，融合构建三角共腔网孔、圆共腔网孔、四边共腔网孔、五角共腔网孔的多级物理尺度多声发射波共腔孔的多级时间延迟与多声波振动频率的监测技术，具有可空间定位、全程分布式、高空间分辨率、高探测精度、可定量探测等优点，本发明最终构建了包括光纤声发射模块、转连模块和载纤布设模块的新型分布式传感光纤声发射的新型监测探测技术，本发明结构完整、立点新颖、结构布设简单、操作方便，可以实现流程化、自动化应用，在降低监测成本、提高监测精度及提升工程实用化能力等方面具有较大优势。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1中载纤布设模块的结构示意图；

图3为图1中转连模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的一种监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置，包括光纤声发射模块、转连模块和载纤布设模块，光纤声发射模块与载纤布设模块相连接，载纤布设模块与转连模块相连接；

光纤声发射模块中驱动电源417的输入端与控制器426的输出端连接，驱动电源417的输出端与锁模激光器418的输入端连接，锁模激光器418光信息输出端与飞秒激光光学频率梳419连接，飞秒激光光学频率梳419的输出端与脉冲调制器420的输入端连接，脉冲调制器420的输出端与波分复用器421的输入端连接，波分复用器421的输出端分别与光分器432的输入端和光路耦合器422的输入端相连接，光分器432的输出端分别与瑞利光接收器430的输入端和布里渊光接收器431的输入端连接，瑞利光接收器430的输出端和布里渊光接收器431的输出端与控制器426的输入端连接，光路耦合器422的输出端与放大器423的输入端和接收器424的输入端连接，接收器424的输出端与探测器425的输入端相连接，探测器425的输出端与控制器426的输入端相连接，放大器423的输出端与载纤布设模块中的GJJV型号紧套传感光纤相连接，控制器426输出端与混凝土结构体安全性态评价系统427相连接。

本实施例中，高度50cm、宽度5cm的折轴外延柱410位于底端宽度30cm的第一底座412和底端宽度30cm的第二底座411的中间位置，第一底座412通过第一套环417与折轴外延柱410连接，第二底座411通过第二套环418与折轴外延柱410连接，第一套环417和第二套环418上均设有锁紧装置，第一底座412的上端布设有直径30cm的第一载纤弯孔413，底端宽度30cm的第一底座412上直径30cm的第一载纤弯孔413用于放置网孔模块和载纤模块构成组件的一端，底端宽度30cm的第二底座411的上端布设有直径30cm的第二载纤弯孔414，第二底座411上的第二载纤弯孔414用于放置网孔模块和载纤模块构成组件的另一端，直径3cm、高度60cm的弯转折轴415的外缘与高度50cm、宽度5cm的折轴外延柱410的内缘相连接，弯转折轴415位于折轴外延柱410的中间位置，通过折轴外延柱410将直径30cm的第一载纤弯孔413和直径30cm的第二载纤弯孔414与直径3cm、高度60cm的弯转折轴415相连接，通过转动折轴外延柱410，第一载纤弯孔413和第二载纤弯孔414之间将形成一定的角度，通过锁紧装置将第一套环417和第二套环418锁紧在折轴外延柱410上，而直径3.8cm、高度1.5cm的固定栓塞416位于直径3cm、高度60cm的弯转折轴415的上端面处，弯转折轴415超出折轴外延柱410的部分具有螺纹，将直径3.8cm、高度1.5cm的固定栓塞416旋入到弯转折轴415的上端后，可以将直径30cm的第一载纤弯孔413和直径30cm的第二载纤弯孔414之间以任意角度进行固定。

载纤布设模块中将封闭塞401绕着弯转折轴402转动，可将直径为5cm的双光纤通道405固定到直径为12cm的半圆承纤台406中，在对称分布于长度为8cm的隔纤壁435两侧的圆弧截面形式的封闭塞401闭合后，将长度2cm、宽度1cm的阻隔块400扣至于长度为8cm的隔纤壁435的外端，以将封闭塞401闭合处进行固定，三角共腔网孔407共有16个，为等边三角形截面、边长为2cm，圆共腔网孔403共有12个，截面为圆形、直径为3cm，四边共腔网孔404是由等边四角形截面的12个空腔组成，截面为等边四边形、边长为2.5cm，截面为等边五边形、边长为1.5cm的五角共腔网孔408是由3排等边五角形截面的12个空腔组成，三角共腔网孔407、圆共腔网孔403、四边共腔网孔404、五角共腔网孔408相邻的中心线夹角为90°，且按照逆时针的顺序依次与四角内凹形的内撑住体409相连接，由于各网孔截面形状、尺寸及排列形式都各不相同，在感知声发射波时，圆共腔网孔403、三角共腔网孔407、四边共腔网孔404和五角共腔网孔408将分别产生不同的时间延迟与声波共振频率，隔纤壁435为VIP板(真空绝热板)；

一种如上述的监测水工程安全性态的分布式传感光纤声发射装置的运行方法，包括以下步骤：

(1)确定待测区、选择布设方案

本实施例特选择西北某混凝土坝为例，该混凝土坝的某一待测区域为直径为100m的一个圆形区域，由于待测区域的尺寸以及该实际工程的监测需要，现确定8根400m长的GJJV型号紧套传感光纤，将8根400m长的GJJV型号紧套传感光纤按照两个一组的形式将其布设到直径为5cm的双光纤通道405中，每根传感光纤实际有效监测长度为350m，50m为与外界其他设备连接使用，由于待测区域为圆形区域，为了最大程度地降低弯曲损耗的影响，将使用20个转连模块；

(2)配备部件、装配模块

三角共腔网孔407、圆共腔网孔403、四边共腔网孔404、五角共腔网孔408按照逆时针的顺序依次与四角内凹形的内撑住体409相连接，转动弯转折轴402将两侧的封闭塞401关闭，将阻隔块400穿过隔纤壁435的上端，将两侧的封闭塞401闭合处进行固定，确定了直径30cm的第一载纤弯孔413和直径30cm的第二载纤弯孔414之间的角度全部为18°，转动底端宽度30cm的第一底座412和底端宽度30cm的第二底座411的旋转，从而使得直径30cm的第一载纤弯孔413和直径30cm的第二载纤弯孔414之间形成18°的夹角，将直径3.8cm、高度1.5cm的固定栓塞416套入直径3cm、高度60cm的弯转折轴415中，对弯转折轴415进行固定，对剩余19处弯曲角度为18°的地方进行同样方法的布设；

(3)打开开关、初始测试

通过控制控制器426启动驱动电源417，从而激励锁模激光器418产生飞秒激光光学频率梳419，通过脉冲调制器420、波分复用器421、光分器432进实现对飞秒激光光学频率梳419的调制，通过探测器425、瑞利光接收器430、布里渊光接收器431、接收器424可对变化的瑞利散射光信息和布里渊散射光信息的飞秒激光光学频率梳419进行接收与探测，其将作为本待测区域初始的光信息参照值；

(4)长期运行、动态监测

该混凝土坝的直径为100m待测区域中，结构体某处出现了损伤，会产生声发射信号，通过五角共腔网孔408、三角共腔网孔407、圆共腔网孔403和四边共腔网孔404进行传播的声发射信号会按照不同的时间与频率传导到载纤布设模块的GJJV型号紧套传感光纤中，GJJV型号紧套传感光纤中的瑞利散射光信息和布里渊散射光信息会产生变化，通过控制器426，将变化的瑞利散射光信息和布里渊散射光信息汇集到混凝土结构体安全性态评价系统427中，且与第(3)步的结果进行对比分析，评估结构体损伤的程度及位置，实现动态监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。