一种基于光纤光栅的伸缩缝自动测量方法与流程

[0001]
本发明涉及土木工程的裂缝测量领域，具体涉及一种基于光纤光栅的伸缩缝自动测量方法。


背景技术：

[0002]
大型土木工程结构的健康监测对其的长期安全运行有重要的意义，而裂缝是其中最令人关注的、首要的质量问题，尤其在混凝土结构中防裂缝是施工的基本要求。混凝土裂缝超过0.2-0.4mm，就可能由于混凝土内部钢筋的腐蚀导致结构的使用寿命缩短。大到1-2mm宽的裂缝则可能由于长期过载直接导致结构严重破坏，给人民生命财产造成了重大的损失。这表明大型土木结构的裂缝监测必不可少。
[0003]
对混凝土结构的裂缝进行评估，其传统方法包括直接观察法、敲击回波法、声发射探伤法以及红外热成像法等。这些方法不能直接测量出裂缝的宽度，属点式监测。目前，普通电式、振弦式微位移传感器安装在结构上，可以短期或者长期测量结构在各种荷载下的位移，以分析结构的受力状况。
[0004]
现有的光纤光栅缝隙测试装置，只能测试固定某一较小垂直区域的数据，而铺设多个设备，既会大幅增加成本，同时施工调试的时间也会大幅增加。而混凝土结构易产生裂缝的大致区域是可以预估的，如果能只采用一个装置对指定区域进行测试则能更全面的了解混凝土结构的状态。


技术实现要素：

[0005]
针对上述问题，本发明旨在提供一种低成本、多位置自动测试的基于光纤光栅的伸缩缝自动测量方法。
[0006]
为实现该技术目的，本发明的方案是：一种基于光纤光栅的伸缩缝自动测量方法，具体步骤如下：
[0007]
s1、安装调试：在指定混凝土构件上水平安装两平行导轨，在导轨上分别嵌入式安装能滑动的驱动模块和伸缩光纤光栅模块，伸缩光纤光栅模块设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅，调节第一光纤光栅和第二光纤光栅处于紧绷的状态；
[0008]
s2、数据采集：驱动模块带动伸缩光纤光栅模块沿导轨移动，并在指定位置解调器采集此处的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长移偏移量数据δλ1、δλ2、δλ3；
[0009]
s3、分析计算：第一光纤光栅中心波长移偏移量δλ1与其所测的裂缝宽度s1的关系如下：
[0010][0011]
同理，第二光纤光栅中心波长移偏移量δλ2与其所测的裂缝宽度s2的关系如下：
[0012][0013]
λ—光纤光栅初始中心波长，
[0014]
p
e
—弹性光学系数，
[0015]
l1、l2—为第一光纤光栅和第二光纤光栅的初始长度，
[0016]
r—第一光纤光栅、第二光纤光栅和固定梁投影的距离，
[0017]
通过上述公式可以计算出第一光纤光栅和第二光纤光栅所测量的裂缝宽度s1和s2，则总的裂缝宽度s为：s＝s1+s2；
[0018]
重复s2，移动至下一位置，测量计算出下一位置裂缝宽度s。
[0019]
作为优选，还包括s4、智能预警：日常检测，定期通过控制中心启动混凝土构件上安装的驱动模块测量导轨指定位置的中心波长移偏移量数据，并计算裂缝宽度s，当至少有一个测试点s超过报警阈值时发出预警；
[0020]
突发事件检测，当混凝土构件附近出现自然灾害或者重大事故时，启动驱动模块测量导轨指定位置的中心波长移偏移量数据，并计算裂缝宽度s，当至少有一个测试点s超过报警阈值时发出预警。
[0021]
作为优选，所述伸缩光纤光栅模块包括外壳、固定器和复位弹簧，所述外壳中部水平方向设置有固定梁，所述外壳中部垂直方向设置有带复位弹簧的中心轴，所述中心轴上还设置有限位器；
[0022]
所述第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅一端通过固定器固定，所述第一光纤光栅另一端穿过并锚固在中心轴上，第一光纤光栅与第三光纤光栅构成光纤回路，第三光纤光栅位于固定梁侧面但不粘贴，第二光纤光栅另一端穿过并锚固在中心轴上，第二光纤光栅与引出光纤构成光纤回路；
[0023]
所述中心轴两端还设置有滚轮，所述滚轮能沿导轨水平滑动。
[0024]
作为优选，所述轨道上还设置有滑槽，所述中心轴上的滚轮嵌套安装在滑槽上。
[0025]
作为优选，所述导轨由刚性段和柔性段组合而成，伸缩光纤光栅模块在刚性段时进行数据采集。
[0026]
作为优选，s4中，如果裂缝宽度s超过提醒阈值，且达到提醒阈值的测试点数量超过3个时，发出提醒通知。
[0027]
作为优选，s4中如果测试点s超过报警阈值，且驱动模块无法带动伸缩光纤光栅模块，则判定导轨损坏且有较大裂缝出现，发出预警。
[0028]
本发明的有益效果，实现了易开裂的构件裂缝的指定区域自动与实时检测，具有测量范围广，测量危险性小、测量效率高、受测量环境影响小、可实时预警等优点，实现了智能测量的功能，使测量信息化；不仅能测量裂缝，还能测量伸缩缝，测量的适用性强；本申请还有效地避免了光栅区域的粘贴过程，可实现裂缝的高精度测量，实用性强且不容易损坏；本申请还实现了温度补偿功能，消除了温度对应变产生的影响。
附图说明
[0029]
图1为本发明的结构示意图；
[0030]
图2为本发明的使用状态参考图；
[0031]
图3为本发明仰视面的结构示意图；
[0032]
图4为本发明侧视面的使用状态参考图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0034]
如图1-4所示，本发明所述的具体实施例：其中伸缩光纤光栅模块由外壳1、固定器2和复位弹簧3等结构组合而成，外壳1中部水平方向设置有固定梁5，外壳1中部垂直方向设置有中心轴4，中心轴中部对称设置有复位弹簧3，中心轴4上还设置有限位器6；
[0035]
第一光纤光栅7、第二光纤光栅8和第三光纤光栅9一端通过固定器2固定，第一光纤光栅7、第二光纤光栅8另一端穿过限位器6构成光纤回路10，第三光纤光栅9另一端固定在固定梁5上；第一光纤光栅7另一端穿过并锚固在中心轴4上，第一光纤光栅7与第三光纤光栅8构成光纤回路，第三光纤光栅8(第三光纤光栅不受力，故不与固定梁粘接，用于校正)位于固定梁5侧面但不粘贴，第二光纤光栅7另一端穿过并锚固在中心轴4上，第二光纤光栅8与引出光纤10构成光纤回路；
[0036]
中心轴4两端还设置有滚轮11，滚轮能沿导轨水平滑动。
[0037]
正常初始状态时，驱动模块能带动伸缩光纤光栅模块沿导轨水平滑动，但是一旦出现大缝隙，滚轮容易与轨道偏离出现晃动，两条轨道12内均设置有滑槽，滑槽为凹状结构，上部的滑槽开口朝下，中心轴4上的滚轮11嵌套安装在滑槽上。滑槽能有效防止伸缩光纤光栅模块前后晃动而导致测试数据不准。
[0038]
所述导轨由刚性段和柔性段组合而成，伸缩光纤光栅模块在刚性段时进行数据采集。柔性段能够更容易的随墙体变化而变化，能更精准、更灵敏的检测出裂缝。
[0039]
具体测量步骤如下：s1，安装调试：在指定混凝土构件上水平安装两平行导轨，在导轨上分别嵌入式安装能滑动的驱动模块和伸缩光纤光栅模块，伸缩光纤光栅模块设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅，调节第一光纤光栅和第二光纤光栅处于紧绷的状态；
[0040]
s2，数据采集：驱动模块带动伸缩光纤光栅模块沿导轨移动，并在指定位置解调器采集此处的第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅的中心波长移偏移量数据δλ1、δλ2、δλ3；
[0041]
s3，分析计算：
[0042]
测量时解调器分别采集第一、二光纤光栅数据并记录读数，光纤光栅的反射波长位移受轴向应变和环境温度变化的影响。第一光纤光栅的中心反射波长位移与应变、温度的关系由下式组成：
[0043]
δλ/λ＝(1-p
e
)δε+(α
f
+ξ)δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
式中，
[0045]
δλ—光纤光栅中心波长偏移量；
[0046]
λ—光纤光栅初始中心波长；
[0047]
α
f
—热膨胀系数；
[0048]
ξ—热光学系数；
[0049]
p
e
—弹性光学系数(在室温下约为0.22)；
[0050]
δε—应变改变量；
[0051]
δt—温度改变量。
[0052]
由于第一光纤光栅和第三光纤光栅非常靠近，温度的改变量δt是相同的，因此可以认为温度对中心反射波长位移偏移量δλ1和δλ3是相同的，故本装置光纤光栅的中心反射波长位移关系由下式组成：
[0053][0054]
通过三角关系推导，光纤光栅的应变值δε由下式求出：
[0055][0056]
式中，l1为第一光纤光栅的初始长度；r为第一光纤光栅在固定梁的投影长度；s1为第一光纤光栅测的裂缝的宽度。
[0057]
联立式(2)、(3)可得第一光纤光栅的波长偏移量与其所测的裂缝宽度s1的关系如下：
[0058][0059]
同理，第二光纤光栅的波长偏移量δλ2与其所测的裂缝宽度s2的关系如下：
[0060][0061]
δλ1、δλ2、δλ3—第一、二和三光纤光栅的中心波长偏移量；
[0062]
λ—光纤光栅初始中心波长；
[0063]
p
e
—弹性光学系数(在室温下约为0.22)；
[0064]
l1、l2—为第一、二光纤光栅的初始长度；
[0065]
r—第一、二光纤光栅和固定梁投影的距离；
[0066]
s1、s2—第一、二光纤光栅所测量的裂缝宽度；
[0067]
通过(4)和(5)式可以计算出第一、二光纤光栅所测量的裂缝宽度s1和s2，则总的裂缝宽度s为s＝s1+s2；
[0068]
重复s2，移动至下一位置，测量计算出下一位置裂缝宽度s。
[0069]
s4，智能预警：日常检测，定期通过控制中心启动混凝土构件上安装的驱动模块测量导轨指定位置的中心波长移偏移量数据，并计算裂缝宽度s，当至少有一个测试点s超过报警阈值时发出预警；
[0070]
突发事件检测，当混凝土构件附近出现自然灾害或者重大事故时，启动驱动模块测量导轨指定位置的中心波长移偏移量数据，并计算裂缝宽度s，当至少有一个测试点s超过报警阈值时发出预警。
[0071]
s4中，如果裂缝宽度s超过提醒阈值，且达到提醒阈值的测试点数量超过3个时，发出提醒通知。
[0072]
为了避免出现误判，s4中如果测试点s超过报警阈值，且驱动模块无法带动伸缩光
纤光栅模块，则判定导轨损坏且有较大裂缝出现，发出预警。
[0073]
使用时，在混凝土容易开裂的地方安装两行平行的导轨，导轨嵌固在混凝土内部，保持导轨稳定，导轨的横截面形状为矩形，在其内侧各设置一个c形凹槽，c形凹槽在同一水平线上。把中心轴轴和驱动模块两端的滚轮和滑轮放置在导轨的凹槽上，使其能够沿着导轨移动，此时，调节固定器，使光纤光栅处于紧绷的状态，接着把光纤光栅接入光纤光栅解调仪中(光纤光栅解调仪较贵，而光纤延长几公里也能保持信号稳定，可以将多个光纤光栅模块的光纤汇集在一处测试)，通过光纤光栅解调仪实时获取数据。在导轨上设置测量位置，测量位置的距离设置为10mm。在混凝土构件为开裂前，当裂缝测量装置每到达一个测量位置时，进行光纤光栅数据的第一次采集，以第一次采集的数据为初始数据。
[0074]
当混凝土的裂缝开展时，中心轴会进行伸缩运动，中心轴带动第一、二光纤光栅运动，使第一、二光纤光栅产生变形，中心轴每到达一个测量位置时，运用光纤光栅解调仪实时获取应变数据，并通过与初始数据进行比较分析，实时监测混凝土裂缝宽度，对裂缝宽度过大的混凝土构件实行预警机制，以便快速找出，以便快速确定混凝土构件裂缝宽度过大的位置，采取相应的裂缝控制措施，确保工程的安全。
[0075]
本实施例中，光纤光栅采用单模光纤itu-t g.657，应变范围为0-1％，中心波长为λ为1550nm；光纤光栅左侧的初始长度l_1为50mm，第一、二光纤光栅在固定梁投影的距离r为40mm。本装置的量程为：0-2mm，精度为10-6
mm。
[0076]
把以上数据代入式(5)可得裂缝宽度与光纤光栅的波长偏移量的关系如下：
[0077][0078]
式中，s1为光纤光栅一测量的裂缝宽度(单位：mm)；δλ为光纤光栅一与光纤光栅三波长偏移量之差，δλ'为光纤光栅二与光纤光栅三波长偏移量之差(单位：mm)。
[0079]
通过上述可以求得光纤光栅一和二测量的混凝土裂缝宽度s1和s2，则混凝土总的裂缝宽度s＝s1+s2，实现了裂缝的自动监测。
[0080]
本发明相对于传统裂缝检测方法具有结构简单、灵敏度高，性能稳定、易于实现裂缝微小位移测量以及环境温度测量的特点；能自动检测水平多处位置的裂缝情况，检测范围更大，能有效避免漏检；采用光纤光栅做传感元件，光纤光栅具有其独特的优点：体积小、重量轻、便于传感；抗电磁干扰、稳定性好、耐腐蚀；高灵敏度、高分辨率；可以串接使用，实现了远程传输；测量信息以波长编码，因而光纤光栅不受光源光强等因素的影响，有较强的抗干扰能力。
[0081]
本发明相对于现有单点光纤光栅检测方法，实现了易开裂的构件裂缝的指定区域多位置自动与实时检测，具有测量范围广，测量危险性小、测量效率高、受测量环境影响小、可实时预警等优点，实现了智能测量的功能，使测量信息化；不仅能测量裂缝，还能测量伸缩缝，测量的适用性强；本申请还有效地避免了光栅区域的粘贴过程，可实现裂缝的高精度测量，实用性强且不容易损坏；本申请还实现了温度补偿功能，消除了温度对应变产生的影响。
[0082]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。