应用分布式裸光纤光栅进行建筑结构健康监测的方法与流程

本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种应用分布式裸光纤光栅进行建筑结构健康监测的方法。

背景技术：

结构健康监测系统目前广泛应用于土木工程的重大或复杂结构，以辅助对结构安全状况进行判断。古建筑的健康监测研究不仅是为古建筑加固保护提供定性与定量分析的工具，也是古建筑遗产管理工作的重要组成部分。根据世界文化遗产委员会以及我国政府对世界文化遗产监测工作的要求，古建筑的健康监测与保护是势在必行的。

传统的建筑结构健康监测方法有：人工巡视、大地测量法、三维激光扫描技术、电测法等。光纤光栅监测技术受到了越来越多的土木工程健康监测行业的肯定，特别是在保护建筑的健康监测方面，提高结构的安全性与可靠性，并延长其使用期限等，光纤光栅监测技术发挥着重要的作用。

目前，现有技术中还没有一种有效地利用光纤光栅对建筑结构进行健康监测的方法。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种应用分布式裸光纤光栅进行建筑结构健康监测的方法，以实现有效地对建筑结构进行健康监测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种应用分布式裸光纤光栅进行建筑结构健康监测的方法，包括：

在建筑结构的构件表面选定监测点，根据所有的监测点设定光纤布置路径，在所述光纤布置路径上布设光纤；

在所述光纤上设置分布式裸光纤光栅传感器，所述分布式裸光纤光栅传感器与所述监测点对应；

将所有分布式裸光纤光栅传感器组成网络，通过所述分布式裸光纤光栅传感器感知和记录所述建筑结构的温度和应变变化。

进一步地，所述光纤为裸光纤，所述光纤光栅传感器为裸光纤光栅。

进一步地，根据结构构件的监测点数量以及监测点之间的距离参数，在所述分布式裸光纤上刻制与对应监测点相同参数的布拉格光栅。

进一步地，所述监测点包括变形控制监测点和温度控制监测点。

进一步地，采用胶粘剂将所述分布式裸光纤光栅在对应的在监测点处与建筑结构的构件粘结固定。

进一步地，整个光纤只粘结裸光纤光栅部分，作为信号传输的除了裸光纤光栅部分之外的其它部分无需粘结。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明适用于环境稳定的古建筑结构中；且适用于狭窄空间或不规则结构构件的监测中；同时适用于构件复杂且旅游观光频繁，要求监测损伤轻微的古建筑结构构件(例如图案精美、花纹复杂的木梁或木柱)中。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的应用裸光纤光栅对建筑结构进行健康监测的示意图。

图2为本发明实施例提供的建筑结构构件的监测点选取示意图。

图3为本发明实施例提供的测点光纤布设示意图。

图4为本发明实施例提供的整体结构的监测点处光纤点粘结示意图。

图5为本发明实施例提供的局部单个的监测点处光纤点粘结示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例为了克服传统的监测方法的不足，针对特定建筑结构监测需求，提供了一种微损伤前提下，采用裸光纤光栅传感器监测结构构件特定监测点，达到监测结构构件变形与温度目地的结构健康监测方法。

本发明实施例提出的应用分布式裸光纤光栅进行建筑结构健康监测的方法包括：先在需要进行健康监测的建筑结构构件(如梁柱等)表面上选取具有代表性的一定数量的监测点，并且根据这些监测点的应变或温度监测可得到构件的变形或温度变化。根据所有的监测点设定光纤布置路径，在所述光纤布置路径上布设光纤；在所述光纤上设置分布式裸光纤光栅传感器，所述分布式裸光纤光栅传感器与所述监测点对应。然后，将所有分布式裸光纤光栅传感器组成网络，汇成全方位的结构健康监测网络，通过所述分布式裸光纤光栅传感器感知和记录所述建筑结构的温度和应变变化。

在实际应用中，可以对需要测量的建筑结构构件，选择合理的单根光纤布置网络，从而可通过单根裸光纤完成多个构件的应变或温度测量。

本发明选用分布式裸光纤光栅作为光纤光栅传感器，分布式裸光纤光栅对结构的应变或温度进行健康监测，采用合理的刻制方法写入光栅，光栅的刻制参数应与构件上监测点相对应。制备分布式裸光纤光栅传感器时，要根据结构构件的监测点数量以及点与点之间的距离等参数，在所选用的分布式裸光纤上刻制与对应构件监测点相同参数的布拉格光栅。上述监测点的参数指：监测点与监测点之间的距离、监测点数量等。

光纤光栅传感器指的就是裸光纤光栅，每一个光栅都要与监测点一一对应，也可以说每一个光栅就是一个传感器，光纤光栅传感器的位置与监测点位置相同。分布式裸光纤光栅的参数包括：光栅数量、光栅间距、光栅长度、光栅应变测量范围等。“分布式”是指一根光纤上可刻制多个光栅从而测量多个点位。

光纤光栅传感器与结构构件之间采用应变传递较好的胶粘剂在监测点粘结固定；布设完成的分布式光纤光栅传感器组网后，通过光纤光栅解调仪实时感知和记录所监测结构的温度和应变变化，从而实现对建筑结构高温(火灾)、应力及变形等方面的健康监测。

上述构件监测点应选取有限个反应构件变形特性的测点，测点应变范围及测点间距应符合光纤材性要求。

上述单根光纤布置路径，应考虑结构构件的位置，合理布置单根光纤从而实现选定构件的健康监测。

所述的胶粘剂，选取传递率好的胶体类型，胶体对光栅具有一定保护作用，可提高光纤传感器的耐久性。

所述的胶粘剂，在光栅对应的监测点处粘结，整个光纤与结构构件点粘结，作为光信号传输作用的光纤段根据需求选择性粘结。

所述光纤解调装置即通过检测波长的变化推导出外界应变或温度变化，从而对构件变形或构件温度起到监测作用。

布设完成的分布式光纤光栅传感器组网后，通过光纤光栅解调仪实时感知和记录所监测结构的温度和应变变化，从而实现对建筑结构高温(火灾)、变形等方面的健康监测。

由于裸光纤光栅传感器直径小，因此其径向剪切的耐受能力较差，容易折损。因此，在使用过程中必须小心操作，以保证裸光纤光栅传感器的正常使用寿命。且分布式裸光纤光栅使用前应测试光栅合格率，监测构件的应变或温度变化范围应在分布式裸光纤光栅的量程范围之内。

实施例二

图1为本发明实施例提供的应用裸光纤光栅对建筑结构进行健康监测的示意图示，在结构构件(梁1或柱2)适当位置选取测点4；并且根据测点位置布设光纤3；并在测点4处采用胶粘剂对光纤进行点粘结；最后将光纤与解调仪5相连接，对结构进行健康监测。

图2为本发明实施例提供的建筑结构构件的监测点选取示意图，对结构构件(梁1或柱2)进行适当评估，选取变形控制监测点4或者温度控制监测点4。

图3为本发明实施例提供的监测点光纤布设示意图，根据选取的监测点4，选用合适长度的光纤3，并根据的监测点的参数在光纤上刻制光栅。将刻制之后的光栅对应于监测点4，在建筑结构上布设光纤。

图4为本发明实施例提供的整体结构的监测点处光纤点粘结示意图。布设好光纤3之后，在光栅对应的监测点4位置处采用胶粘剂7进行点粘结，以此将光纤固定于结构(梁1或柱2)上。之后将光纤连接于解调仪5，形成完整地分布式裸光纤光栅结构监测体系。

图5为本发明实施例提供的局部单个监测点处光纤点粘结示意图，光纤3仅光栅与结构构件粘结。分布式裸光纤光栅与构件之间的粘结材料应选取应变传递率较好的胶粘剂。为确保光纤光栅传感器应变测量优越性能的发挥可测试并进行粘结层材料的优选。整个光纤只需粘结分布式裸光纤光栅部分，整个光纤形成光栅处的点粘结，作为信号传输的光纤部分除特定情形外无需粘结。

本发明适用于环境稳定的古建筑结构中；且适用于狭窄空间或不规则结构构件的监测中；同时适用于构件复杂且旅游观光频繁，要求监测损伤轻微的古建筑结构构件(例如图案精美、花纹复杂的木梁或木柱)中。故本发明作为一种结构健康监测方法适用于一些有特定监测需求的建筑结构中。

综上所述，本发明实施例与现有的古建筑健康监测方法相比，具有如下的优点：

(1)裸光纤光栅作为光纤传感器，具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，裸光纤光栅传感器相比于基片式光纤传感器应变灵敏度高、应变传递率高、可应用于狭窄空间或不规则结构监测中且制造成本低使用期限内维护成本低，不但对于原结构构件基本不造成损伤而且肉眼很难观察到安置的传感器。

普通光纤外径为250微米,可获取传统传感器无法检测的信号,如复合材料的内部应力；灵敏度高:光纤传感器釆用光学原理,一般为微米量级。采用波长调制技术,分辨率可达波长尺度的纳米量级；耐腐蚀:由于光纤表面的涂覆层由高分子材料组成,耐酸碱等化学侵蚀能力强,同时纤芯自身为二氧化硅材料,其物理、化学等稳定性强；抗电磁干扰:光信号在光纤中传输时,不会与电磁场产生作用,因而信号在传输过程中抗电磁干扰能力很强；传输频带宽:可进行大容量信号的实时测量,便于集成大型监测系统；分布式或准分布式测量:可用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布,是传统机械类、电子类、微电子类等器件无法实现的；使用期限内维护成本低。

(2)相比于基片式的光纤光栅传感器，裸光纤光栅传感器线性好，灵敏度较高，动态响应特性好，能够满足古建筑结构构件监测应用现场应力、应变的测量需求。该健康监测方法可用于古建筑结构温度监测，高温报警，预防火灾的发生。

(3)对于一些图案精美复杂的梁柱构件，采用分布式的基片式的光纤传感器易对文物建筑造成一定损伤，而采用裸光纤光栅传感器只需要一根细丝便可以完成多个测点的应变控制，监测精准可靠、应用成本低，对于原结构构件不会产生任何损伤，施工方便，此外也不会对古建筑外观造成任何影响，不会影响游客观光。

(4)裸光纤光栅传感器特点鲜明，工程适用性明确，对于环境稳定，狭窄空间或不规则结构监测具有较高的应用价值。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。