一种结构体多方向形变监测方法与系统与流程

本发明涉及形变监测技术领域，特别是一种基于分布式光纤应力测量的对结构体的形变进行监控技术。

背景技术：

在结构体(包括建筑、桥梁、隧道等)的形变监测方面，有多类的传感技术进行测量，包含应力片、裂缝计、光纤光栅等。同时，分布式光纤传感技术，如布里渊光时域反射计的应力传感系统，也能对结构体的形变进行监测。

布里渊光时域反射计是一种基于布里渊散射的新型分布式光纤传感技术，具有可测量多个物理参量(如温度、应变和线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点，能够对沿光纤线路范围内的温度和应变变化进行远程监测。这种分布式光纤传感器在很多大型结构，如管道、近海石油平台、油井、堤坝、桥梁、隧道、电缆等的健康检测方面得到了广泛的关注。但由于仅对光缆的轴向形变敏感，对光缆的侧向形变精度不高，根据几何关系，1m光缆的侧向形变1mm引起的应变变化值仅为同样大小的轴向形变的应变变化值的2‰。

在实际应用过程中，存在大量多方向的高精度形变监测需求，因此，实现对侧向形变进行高精度的测量，对结构体的形变监测具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤应力测量的结构体多方向形变监测系统，克服光缆侧向形变难以高精度监测的难题，提供一种基于分布式光纤应力测量的形变的方法与装置。利用分布式光纤探测定位技术，实时监测敷设在结构体上的应力监测光缆的应力变化，实现对结构体的多方向形变状态进行全方位的实时监控和预警，提供结构体应力检测光缆所受应力的数据和变化曲线。

本发明的技术解决方案：一种基于分布式光纤应力测量的结构体多方向形变监测方法，对敷设在结构体上的光缆进行应力检测，通过光缆夹具(固定器)及光缆牵引将光缆安装在结构体(5)上，且为张紧(有应力)的敷设，通过牵引和光缆夹具(固定器)对光缆敷设，使得光缆在长度方向和与长度方向成一定的角度(如90±15°)进行敷设(光缆在结构体90±15°转向)，当结构体发生沿光缆径路长度方向或垂直光缆径路方向的形变时，均能引起光缆轴向的形变。

光缆在长度方向和与长度方向成90±15°角度进行连续的敷设，光纤在成角度弯曲时成u型或门型，或成一个角度。

一种基于分布式光纤应力测量的结构体多方向形变监测系统，其构成包括分布式光纤探测定位仪(1)、应力检测光缆(2)、光缆夹具(3)及牵引器(4)，如附图1所示；分布式光纤探测定位仪，连接所述的结构体上安装的应力检测光缆，对结构体多方向的形变状态进行实时监测和防护；所述的分布式光纤探测定位仪通过对探测到的信号进行采集、换算等处理后，可以对应力检测光缆的应变变化进行实时监测。通过牵引器(4)和光缆夹具(固定器)对光缆敷设，使得光缆在长度方向和与长度方向成一定的角度(如90±15°)进行敷设(光缆在结构体90±15°转向)，当结构体发生沿光缆径路长度方向或垂直光缆径路方向的形变时，均能引起光缆轴向的形变。

所述的应力检测光缆，通过光缆夹具及牵引器安装在结构体(5)上，通过牵引器(4)对光缆进行于光缆原长度方向垂直90±15°的敷设(光缆在结构体90±15°转向)，当结构体发生沿光缆径路主方向或垂直光缆径路方向的形变时，均能引起光缆轴向的形变。

分布式光纤探测定位仪，连接所述的结构体上安装的应力检测光缆，对结构体多方向的形变状态进行实时监测和防护；所述的分布式光纤探测定位仪通过对探测到的信号进行采集、换算等处理后，可以对应力检测光缆的应变变化进行实时监测。

所述的分布式光纤探测定位仪包括布里渊散射(或瑞利散射等亦可)的分布式光纤温度与应变传感器、检测仪器、模式识别单元，应力检测光缆在结构体上敷设，结构体发生形变，应力检测光缆张紧，应力检测光缆所受应力增大；应力检测在长度方向和与长度方向成一定的角度(如90±15°)角度进行敷设的光缆所受应力变化由布里渊散射信号给出，并且经过模式识别单元信号处理，得到光缆所有部位实时所受应力、应力变化，应力变化位置等信息，即得到某个空间或时间区间的结构体上应力检测光缆所受应力、应力变化，应力变化位置等信息；分布式光纤探测定位仪对应力检测光缆应力信息进行综合分析处理后，形成对结构体形变状态的判断，输出应力检测光缆形变信号。可采用光缆夹具(固定器)及光缆牵引器张紧光缆。光缆达到直线状的张紧状态，有一定的应力更好。

本发明的有益效果：

1、本发明采用分布式光纤传感技术，具有与既有线无缝融合、距离长，覆盖范围大、分布式监测，无漏点。

2、本发明基于分布式光纤传原理，具有抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度；耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与光纤系统连接等优势。

3、监测系统基于光纤的传感技术，无需现场供电，安全性、可靠性高，抗雷击、维护成本低。

4、利用牵引器对光缆进行转向，实现多方向形变监测，结构简单。

5、所述检测系统包括分布式光纤探测定位仪、应力检测光缆、光缆夹具及牵引器。利用光缆牵引器在待测结构体上安装应力检测光缆，分布式光纤探测定位仪对结构体的多方向形变进行实时监测。本发明能够对建筑结构体如混凝土、钢梁等结构的安全状态进行实时监测，对各方向的形变均能进行同步监测。

附图说明

图1为本发明结构体多方向形变监测技术的系统结构框图；

图2为本发明结构体多方向形变监测技术的系统具体实施例。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种基于分布式光纤应力测量的结构体多方向形变监测系统，其构成包括分布式光纤探测定位仪(1)、应力检测光缆(2)、光缆夹具(3)及牵引器(4)，所述的应力检测光缆，通过光缆夹具及牵引器安装在被检测的结构体(5)上，通过牵引器(4)对光缆进行90°转向，当结构体发生沿光缆径路主方向或垂直光缆径路方向的形变时，均能引起光缆轴向的形变。

分布式光纤探测定位仪，连接所述的结构体上安装的应力检测光缆，对结构体多方向的形变状态进行实时监测和防护；所述的分布式光纤探测定位仪通过对探测到的信号进行采集、换算等处理后，可以对应力检测光缆的应变变化进行实时监测。

所述的分布式光纤探测定位仪包括布里渊散射的分布式光纤温度与应变传感器、检测仪器、模式识别单元，应力检测光缆在结构体上敷设，结构体发生形变，应力检测光缆张紧，应力检测光缆所受应力增大；应力检测光缆所受应力变化由布里渊散射信号给出，并且经过模式识别单元信号处理，得到光缆实时所受应力、应力变化，应力变化位置等信息，即得到某个空间或时间区间的结构体上应力检测光缆所受应力、应力变化，应力变化位置等信息；分布式光纤探测定位仪对应力检测光缆应力信息进行综合分析处理后，形成对结构体形变状态的判断，输出形变信号。

所述的应力检测光缆，通过光缆夹具及牵引器安装在结构体上，通过牵引器对光缆进行90°转向，当结构体发生沿光缆径路主方向或垂直光缆径路方向的形变时，均能引起光缆轴向的形变。

分布式光纤探测定位仪，连接所述的结构体上安装的应力检测光缆，对结构体多方向的形变状态进行实时监测和防护；所述的分布式光纤探测定位仪通过对探测到的信号进行采集、换算等处理后，可以对应力检测光缆的应变变化进行实时监测。

所述的分布式光纤探测定位仪包括布里渊散射的分布式光纤温度与应变传感器、检测仪器、模式识别单元，应力检测光缆在结构体上敷设，结构体发生形变，应力检测光缆张紧，应力检测光缆所受应力增大；应力检测光缆所受应力变化由布里渊散射信号给出，并且经过模式识别单元信号处理，得到光缆实时所受应力、应力变化，应力变化位置等信息，即得到某个空间或时间区间的结构体上应力检测光缆所受应力、应力变化，应力变化位置等信息；分布式光纤探测定位仪对应力检测光缆应力信息进行综合分析处理后，形成对结构体形变状态的判断，输出形变信号。

利用光缆夹具及牵引器，将结构体的多方向形变转换为光缆的轴向形变，提高检测精度。

参照图1-2，图2为本发明基于分布式光纤应力测量的结构体侧向形变监测技术结构框图。由图2可见，本发明基于分布式光纤传感技术，其构成包括用于应力检测的分布式光纤探测定位仪(1)和信号传输的光缆(6)，以及安装在结构体(5)上的应力检测光缆(2)、光缆夹具(31,32)及牵引器(41,42,43,44)；牵引器的主体具有定滑轮的结构。

所述的分布式光纤探测定位仪包括布里渊散射的分布式光纤温度与应变传感器、检测仪器、模式识别单元，应力检测光缆在结构体上(5)敷设，将光缆利用光缆夹具(31,32)固定在结构体上，同时在结构体上安装牵引器(41,42,43,44)对光缆进行转向，当结构体发生垂直或者水平方向的位移或形变时，会导致光缆拉伸或收缩变形。光缆张紧，光缆所受应力增大；光缆所受应力由布里渊散射信号给出，并且经过模式识别单元信号处理，得到光缆实时所受应力、应力变化，应力变化位置等信息，分布式光纤探测定位仪对光缆应力信息进行综合分析处理后，形成对结构体形变状态的判断，形成预警信息。

若结构体长为10m，图1中水平固定夹具(2)与垂直导向夹具(6)之间的光缆长度约为5m，当该段光缆形变量为x(mm)时，对应的光纤应变值为x/5000*10^6≈200*x(με)。

当结构体发生形变垂直的变形时，水平导向夹具(4)与垂直导向夹具(6)垂直方向距离增大，若其隆起导致光缆拉伸1mm，对应应变值约200με。水平导向夹具(4)与垂直导向夹具(6)可以采用各种装置，包括苏州南智传感有限公司的金属光纤传感夹具。

当结构体发生向水平方向形变时，同样引起光缆发生形变，横向移动1mm对应应变值约200με。

以上技术方案可以实现一种基于分布式光纤应力监测的结构体形变状态的实时监测方法。虽然参照上述具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。