CN100397034C - 锚索长期工作状态监测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种锚索长期工作状态监测装置及其方法，由置入被监测锚索中的分布式光纤传感***、传输光纤、光开关、光时域反射仪组成，所述的分布式光纤传感***与传输光纤相连，传输光纤通过光开关与光时域反射仪连接；所述的分布式光纤传感***可以是内嵌式或外置式光纤光缆传感***，其监测方法包括：安放光纤传感***及连接光纤锚索长期工作状态监测装置，调制、传送窄脉冲光波，收集传感***反馈信息，分析处理传感***传回的信息等步骤，该装置和方法可对锚索进行长期、稳定的跟踪检测，准确全面反映整个锚索的应力分布状况；作为光纤传感***的光纤光缆内嵌在钢绞线的中心丝与侧丝的间隙之间或置于钢丝索内钢丝间隙间之间，不受剪力作用，不易损伤或损坏，不受施工环境的制约。
Description
技术领域
本发明涉及一种预应力筋长期工作状态监测装置及其方法，特别是一种带光纤传感器的锚索长期工作状态监测装置及其方法。
背景技术
近年来预应力锚索广泛应用于水利、水电、建筑、交通、地下洞室围岩加固、边坡工程加固等工程中。由于锚固工程是一项复杂的的隐蔽工程，在使用过程中，预应力将伴随岩体中的温度、岩体蠕变、钢绞线松驰及地下水等因素的变化而变化。对预应力锚索锚固机理的研究，主要采用电阻应变片测量不同位置钢绞线的应变，对锚索的长期监测仍沿用在锚固端安装测力环的办法。这两种测量手段无法全面了解锚索钢绞线的应力分布状态，长期监测稳定性效果差，灵敏度低，产生这种问题的原因是，一方面由于与锚索直接联系的对象是复杂多变的岩土体，锚索埋在岩土体中，工作条件十分恶劣，对传感器的防水、防潮、防腐要求高。这给锚索的监测和研究带来很大的困难，也直接影响了仪器的可靠性和使用寿命。近年来，也出现一些锚索长期工作状态的监测装置，如光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置及方法(专利号：02138980.2)即是其中之一，它在被监测的锚索中置入含光栅的光纤，准分布的多个光纤光栅分别感受锚索钢绞线沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将之转换成电信号，送至二次仪表，由二次仪表计算出锚索准分布的各个测点的应力应变的大小及整个锚索分布状态，含光栅的光纤分别粘贴或焊接在锚索钢绞线的钢丝内预置的小槽内或粘贴或焊接在锚索钢绞线的钢丝内外，这种监测方法及其设备的不足在于：
1、同一根锚索准分布多个光纤光栅的光栅数目受到光源谱线宽度的限制，难以全面反映整个锚索的应力分布状况，且光栅的刻制成本较高；
2、光栅光纤(含光栅的光纤)布置在钢丝的凹槽内虽然可以保护光纤的正常工作，但却损伤了钢丝，降低了锚索的整体受力性能，影响了锚索的长期工作性能和使用寿命。此外，光栅光纤预置在中心丝的小槽内，操作起来也不够方便；
3、光栅光纤粘贴或焊接在钢丝表面虽然安装比预置在中心丝的小槽内方便些，但制作光栅时，需去掉光纤的被覆层，这样光栅处就很脆弱，容易损坏影响其正常工作；
4、光栅光纤到检测时临时埋入、既不准确、也不够方便。
归结起来，就是没有有效的措施将光栅光纤合理、完好地埋入岩土工程的锚索中，因而，光栅光纤的使用寿命及其对锚索性能测量的准确度会受到影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在上述光纤光栅锚索长期工作状态的监测装置及方法中没有有效的措施将光纤合理、完好地埋入岩土锚索中以及同一根锚索准分布多个光纤光栅因其光栅数目受到光源谱线宽度的限制，难以全面反映整个锚索的应力分布状况，且光栅的刻制成本较高的问题；提供一种锚索长期工作状态监测装置及其方法，该装置和方法可对锚索进行长期、稳定的跟踪检测，准确全面反映整个锚索的应力分布状况；作为光纤传感***的光纤或光纤光缆内嵌在钢绞线的中心丝与侧丝的间隙之间或置于钢丝索内钢丝间隙之间，不受剪力作用，不易损伤或损坏，不受施工环境的制约。
解决其上述技术问题的技术方案是：一种锚索长期工作状态监测装置，包括光纤传感***及与之相连的传输光纤、二次仪表，其特征在于：所述的光纤传感***是由置入被监测锚索中的光纤或光纤光缆构成的分布式光纤传感***，所述的二次仪表是采用OTDR光时域反射仪，所述的分布式光纤传感***与传输光纤相连，传输光纤通过光开关与二次仪表——光时域反射仪连接，所述的分布式光纤传感***可以是光纤或单芯光纤光缆构成的内嵌式光纤光缆传感***或由单芯光纤光缆构成的外置式光纤光缆传感***。
当所述的分布式光纤传感***为内嵌式光纤光缆传感***时，该光纤或光纤光缆被粘贴在钢绞线的中心丝与侧丝的间隙之间或粘贴在一束钢丝索内的钢丝间隙间，与钢绞线或钢丝索具有相同的旋向和捻距；
当所述的分布式光纤传感***为外置式光纤光缆传感***时，该光纤光缆被粘贴在钢绞线或钢丝索外，光纤光缆可以与钢绞线或钢丝索的钢丝具有相同的旋向也可以与钢丝具有相反的旋向，光纤光缆通过锚杯上的透气孔引出锚索，接入传输光纤并与光时域反射仪相连。
作为本发明锚索长期工作状态监测装置的又一种变换，所述的内嵌式光纤光缆传感***的光纤光缆的引出段外还套有内径大于光纤光缆的保护钢管。
一种锚索长期工作状态监测方法，他包括以下步骤：
A、安放光纤传感***及连接光纤锚索长期工作状态监测装置：
1)、将光纤或光纤光缆置入被监测锚索中构成含分布式光纤传感***的智能光纤锚索；
2)、将智能光纤锚索的光纤传感***与传输光纤以及二次仪表——光时域反射仪连接；
B、调制、传送窄脉冲光波：从光时域反射仪的激光光源调制一个窄脉冲光波，并通过耦合器导入传输光纤，并传送到智能光纤锚索中分布式光纤传感***中的光纤；
C、收集传感***反馈信息：智能光纤锚索分布式光纤传感***分别感受光窄脉冲在光纤内传输时、由于光纤内部的不均匀产生瑞利散射及反射光，并经耦合器、光放大探测器进入OTDR信号处理***；
E、分析处理传感***传回的“信息”：
二次仪表——光时域反射仪的OTDR信号处理***对分布式光纤传感***传回的“信息”进行分析、判断，从而得到光纤埋设处锚索的受力、损伤情况，并在液晶显示屏上给出光纤沿线损耗的大小及位置。
作为本发明锚索长期工作状态监测装置的一种变换，所述的光纤锚索长期工作状态监测装置中的二次仪表可以不用光时域反射仪而用光功率计替换，这种替换仅对于短距离的光纤锚索，或在***要求不太高的情况下使用。
本发明光纤锚索长期工作状态监测装置及其方法是在被监测的锚索中置入光纤或光纤光缆，形成一个分布式的光纤传感***，当锚索因受力而变形时，传感光纤感受锚索的应力应变，使沿光纤传输的散射光和反射光的强度发生变化，改变的散射和反射光经传输光纤传至二次仪表——光时域反射仪(OTDR)，当光纤某处受力，存在接头、损伤，那么该处反射光的强度较高，反过来，可根据光信号结果来判断光纤埋设处锚索的受力、损伤情况，这是一种分布式的测量方式。它与背景技术所述现有光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法及装置相比，具有以下有益效果：
1、能准确全面反映整个锚索的应力分布状况；
传统的点式的测量方法，由于布点的随意性，最危险的地方可能被漏检，增加检测点数，虽然提高了结果的可靠性，但工作量大为增加。而本方案的光纤传感检测***为分布式的检测***，整根索内的光纤均为传感光纤，当锚索受力变形时，传感光纤感受锚索的应力应变，从而全面反映锚索的受力状态。
2、作为光纤传感***的光纤或光纤光缆内嵌在钢绞线的中心丝与侧丝的间隙之间或置于钢丝索内钢丝间隙之间，不受剪力作用，不易损伤或损坏，不受施工环境的制约；外置式又因为光纤不需要去掉保护层刻光栅，所以不易损坏。
3、本发明之锚索长期工作状态监测装置中二次仪表采用光时域反射仪——简称OTDR，置入锚索内作为传感***的光纤为普通的通信光纤，无需做任何处理，利于传感***的放入，也可提前制作含有光纤或光纤光缆传感***的锚索索体，光时域反射仪通过光开关与传输光纤连接，可以任意选择要监测的锚索中的光纤，操作方便。
该OTDR光时域反射仪测量光纤损耗的原理与雷达探测原理相似：首先用脉冲发生器调制一个光源使光源产生窄脉冲光波，经光学***耦入光纤，这个光窄脉冲在光纤内传输时，由于光纤内部的不均匀性将产生瑞利(Rayleigh)散射，当遇到光纤的接头及断点将产生更强烈的反射，散射光有一部分将沿光纤返回，途中经过光纤定向耦合器输入光电检测器，经光电检测器变为电信号，再经放大及信号处理送入显示器，同时由微处理器控制的时钟测量光波返回所需时间，在显示器上绘出光波反射及散射的强度与反射点在光纤中距离的OTDR曲线(参见图7)，这种连续不断向输入端传输散射光称为背向散射光，这种背向散射光就将光纤上各点的“信息”送回了输入端，靠近输入端的光波传输损耗少，故散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波传输损耗大，散射回来的信号就弱，从图7中可以看出，在光纤接头、熔接点及断点处反射光的强度比瑞利散射造成的信号强度要大好几dB，因而在OTDR曲线上造成明显的突波，如果光纤某处存在缺陷(如焊接)或因外界挠动引起微变，则背向散射光强度在该处就有一定的衰减，故测出背向散射光脉冲的到达时间和功率损耗大小，便可确定缺陷及扰动的位置和程度，图7中，a表示光纤接头，b表示熔接点，c表示断点；
每一个点的距离可由下式计算得到：
d＝Δt/2(C/IOR)
式中：
d＝显示距离 Δt＝反射时间
C＝真空中的光速(2.99792458*105公里/秒)
IOR＝受测光纤折射率(等于真空中光速与光纤中光速的比值)；
图7中AB段为置入锚索中作为传感***的光纤，当锚索未受力时，该段光纤的光强度衰减值为ΔI1；当锚索受力变形时，该段光纤的光强度衰减值为ΔI2，随着锚索变形的加大，光纤随着锚索变形，光强度衰减值ΔI增加，根据光强度衰减值即可得出锚索应力应变与光功率输出的关系，从而实现对锚索的监测。
为保证测量结果的正确，在使用光时域反射仪时需输入被测光纤的折射率及测量范围。
下面结合附图及实施例对本发明之智能锚索长期工作状态监测装置的技术特征作进一步的说明。
附图说明：
图1：本发明锚索长期工作状态监测装置结构示意框图；
图2：光时域反射仪结构原理框图；
图3：实施例一所述锚索长期工作状态监测装置的内置式光纤或光纤光缆传感***置于钢绞线中的安装分布示意图；
图4：实施例二所述锚索长期工作状态监测装置的内置式光纤或光纤光缆传感***置于钢丝索中的安装分布示意图；
图5：实施例三所述锚索长期工作状态监测装置的外置式光纤光缆传感***置于钢绞线外的安装分布示意图；
图6：实施例三所述锚索长期工作状态监测装置的外置式光纤光缆传感***置于钢丝索外的安装分布示意图；
图7：锚索中的光纤及对应的光纤扫描曲线(OTDR)示意图。
图中：
1-光纤传感***，2-传输光纤，3-光开关，4-二次仪表，5-粘贴在钢绞线中心丝与侧丝间隙之间，与钢绞线具有相同的旋向和捻距的光纤或光纤光缆，6-钢绞线，7-内径大于Φ0.9mm的保护钢管，8-布置在钢丝索间隙、与钢丝索具有相同旋向和捻距的多根光纤或光纤光缆，9-钢丝索，10-粘贴在钢绞线外与钢绞线具有相同的旋向和捻距的光纤光缆，11-粘贴在钢绞线外与钢绞线具有相反旋向的光纤光缆，12-粘贴在钢丝索外与钢丝索具有相同的旋向和捻距的光纤光缆，13-粘贴在钢丝索外与钢丝索具有相反旋向的光纤光缆。
具体实施方式：
实施例一：采用内嵌式光纤光缆传感***的锚索长期工作状态监测装置。
如图1、图3所示：本发明之锚索长期工作状态监测装置由置入被监测锚索中的光纤光缆(5)构成的分布式光纤传感***(1)、传输光纤(2)、光开关(3)，二次仪表——光时域反射仪(4)组成，所述的分布式光纤传感***与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——光时域反射仪(4)连接，所述的光纤传感***为普通的单芯光纤光缆构成的内嵌式光纤传感***，该光纤光缆(5)被粘贴在钢绞线(6)的中心丝与侧丝的间隙之间(参见图3)与钢绞线(6)具有相同的旋向和捻距。
作为本发明实施例一的一种变换，所述的光纤光缆(5)构成的分布式光纤传感***(1)中，光纤光缆(5)的条数可以是1条，也可以是2条或3条或4条或5条或6条。
作为本发明实施例一的一种变换，所述的光纤光缆(5)构成的分布式光纤传感***(1)中，光纤光缆(5)可以全部换成光纤。
实施例二：采用内嵌式光纤光缆传感***的锚索长期工作状态监测装置。
如图1、图4所示：本发明之智能锚索长期工作状态监测装置由置入被监测锚索中的光纤光缆(8)构成的分布式光纤传感***(1)、传输光纤(2)、光开关(3)，二次仪表——光时域反射仪(4)组成，所述的分布式光纤传感***与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——光时域反射仪(4)连接，所述的分布式光纤传感***为普通单芯光纤构成的内嵌式光纤传感***，该光纤光缆(8)被粘贴在一束钢丝索(9)内的钢丝间隙间(参见图4)，与钢丝索(9)内具有相同的旋向和捻距，光纤光缆(8)的数量为n条(1≤n≤400)。
作为本发明实施例二的一种变换，所述的光纤光缆(8)构成的分布式光纤传感***(1)中，光纤光缆(8)可以全部换成光纤。
作为本发明实施例一、实施例二的一种变换，所述的内嵌式传感***的光纤或光纤光缆的引出段外还可套有内径大于Φ0.9mm的钢管(7)(参见图3)。
实施例三：
采用外置式光纤光缆传感***的锚索长期工作状态监测装置。该锚索长期工作状态监测装置由置于被监测锚索外表面的光纤光缆构成的外置式分布式光纤传感***、传输光纤(2)、光开关(3)、二次仪表——光时域反射仪(4)组成，所述的分布式光纤传感***与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——光时域反射仪(4)连接，所述的光纤传感***为单芯光纤光缆构成的外置式光纤传感***，各光纤光缆通过锚杯上的透气孔引出锚索，接入传输光纤(8)并通过光开关(3)与光时域反射仪(9)相连；所述的传感光纤光缆(10)、(11)被粘贴在钢绞线外，其中光纤光缆(10)与钢绞线钢丝具有相同的旋向；光纤(11)与钢绞线钢丝具有相反的旋向(参见图5)，所述的传感光纤光缆(12)、(13)被粘贴在钢丝索外，光纤光缆(12)与钢丝索钢丝具有相同的旋向；光纤(13)与钢丝索钢丝具有相反的旋向(参见图6)。
实施例一、实施例二、实施例三中，所述的传输光纤与置入锚索中光纤或光纤光缆中的光纤为同种型号的光纤，具有相同的折射率，焊接损失应小于1％。
所述的光时域反射仪包含两部分，一是MFI工作平台，一是OTDR模块，MFI工作平台具备便携式电源，液晶显示屏，热感式打印机等；OTDR模块包括耦合器、光放大探测器、激光光源、OTDR信号处理***等(参见图2)。
工作过程如下：OTDR模块收到来自主机的测量指令后，即对待测光纤做多次扫描平均后再将结果传给MFI主机，MFI主机收到测量数据后进行计算，并将结果显示在屏幕上，并提供必要的量测资料分析与文件打印等功能。
作为本发明实施例一、实施例二、实施例三的一种变换，对于短距离的光纤锚索，在***要求不太高的情况下，所述的二次仪表——光时域反射仪(4)可用光功率计替换。
实施例四：
一种使用上述“锚索长期工作状态监测装置”的“锚索长期工作状态监测方法”，他包括以下步骤：
A、安放光纤传感***及连接锚索长期工作状态监测装置：
1)、将光纤或光纤光缆置入被监测锚索中构成含分布式光纤传感***(1)的智能光纤锚索；
2)、将智能光纤锚索的光纤传感***(1)与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——光时域反射仪(4)连接；
B、调制、传送窄脉冲光波：从光时域反射仪(4)的激光光源调制一个窄脉冲光波，并通过耦合器导入传输光纤，并传送到智能光纤锚索中分布式光纤传感***中的光纤；
C、收集传感***反馈信息：智能光纤锚索分布式光纤传感***分别感受光窄脉冲在光纤内传输时、由于光纤内部的不均匀产生瑞利散射及反射光，并经耦合器、光放大探测器进入OTDR信号处理***；
E、分析处理传感***传回的“信息”：
二次仪表——光时域反射仪的OTDR信号处理***对分布式光纤传感***传回的“信息”进行分析、判断，从而得到光纤埋设处锚索的受力、损伤情况，并在液晶显示屏上给出光纤沿线损耗的大小及位置。
作为本发明实施例四的一种变换，若被测锚索是已含有分布式光纤传感***的光纤锚索，则省略“A-1)、将光纤光缆置入被监测锚索中构成含分布式光纤传感***的智能光纤锚索；”步骤，直接从A-2)步骤开始进行。
Claims (5)
1.一种锚索长期工作状态监测装置，包括光纤传感***及与之相连的传输光纤、二次仪表，其特征在于：所述的光纤传感***是由置入被监测锚索中的由光纤或光纤光缆构成的分布式内嵌式光纤传感***(1)，该光纤或光纤光缆被粘贴在钢绞线(6)的中心丝与侧丝的间隙之间或粘贴在一束钢丝索(9)内的钢丝间隙间，与钢绞线(6)或钢丝索(9)具有相同的旋向和捻距；所述的二次仪表(4)是OTDR光时域反射仪，所述的分布式内嵌式光纤传感***(1)与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——OTDR光时域反射仪连接。
2.根据权利要求1所述的锚索长期工作状态监测装置，其特征在于：所述的分布式内嵌式光纤传感***(1)中，锚索内嵌的光纤有n根——1≤n≤400根，光纤与钢绞线或钢丝索的钢丝具有相同的旋向和捻距，光纤通过粘结剂与钢绞线或钢丝索的钢丝粘结在一起。
3.根据权利1所述的锚索长期工作状态监测装置，其特征在于：所述的传输光纤(2)、光开关(3)与置入锚索中光纤或光纤光缆中的光纤为同种型号的光纤，具有相同的折射率，焊接损失应小于1％。
4.根据权利1所述的锚索长期工作状态监测装置，其特征在于：所述的分布式内嵌式光纤传感***的光纤或光纤光缆的引出段外套有内径大于Φ0.9mm的钢管(7)。
5.一种锚索长期工作状态监测方法，他包括以下步骤：
A、安放光纤传感***及连接锚索长期工作状态监测装置：
1)、将由光纤或光纤光缆构成的分布式内嵌式光纤传感***(1)，采用将光纤或光纤光缆粘贴在钢绞线(6)的中心丝与侧丝的间隙之间或粘贴在一束钢丝索(9)内的钢丝间隙间的方式置入被监测锚索中构成含分布式内嵌式光纤传感***的智能光纤锚索；
2)、将智能光纤锚索的分布式内嵌式光纤传感***(1)与传输光纤(2)相连，传输光纤(2)通过光开关(3)与二次仪表——光时域反射仪(4)连接；
B、调制、传送窄脉冲光波：从光时域反射仪的激光光源调制一个窄脉冲光波，并通过耦合器导入传输光纤，并传送到智能光纤锚索中分布式内嵌式光纤传感***中的光纤；
C、收集传感***反馈信息：智能光纤锚索分布式内嵌式光纤传感***分别感受光窄脉冲在光纤内传输时、由于光纤内部的不均匀产生瑞利散射及反射光，并经耦合器、光放大探测器进入OTDR信号处理***；
E、分析处理传感***传回的“信息”：二次仪表——光时域反射仪的OTDR信号处理***对分布式内嵌式光纤传感***传回的“信息”进行分析、判断，从而得到光纤埋设处锚索的受力、损伤情况，并在显示器上绘出光波反射及散射的强度与反射点在光纤中距离的OTDR曲线。
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