CN102353339A - 一种单光纤单端结构的otdr-fbg结构损伤检测*** - Google Patents

一种单光纤单端结构的otdr-fbg结构损伤检测*** Download PDF

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吕辰刚
张瑞峰
程鹏飞
邹强
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Abstract

本发明属于结构安全检测技术领域，涉及一种单光纤单端结构的OTDR-FBG结构损伤检测***，包括光时域反射传感信号检测模块、光纤光栅传感信号检测模块、波分复用器、单模光纤和多个光纤光栅，光时域反射传感信号检测模块和光纤光栅传感信号检测模块经过波分复用器连接到串接光纤光栅的单模光纤；光时域反射传感信号检测模块产生的窄脉冲光经过波分复用器耦合到单模光纤，根据传回光，探测所检测的工程结构是否存在损伤及损伤程度；光纤光栅传感信号检测模块产生的连续光经过波分复用器耦合到单模光纤，由单模光纤反向传回，根据光谱变化，探测所检测的工程结构的各个部位上的应变。本发明能够实现大范围连续分布式检测及对关键点精细检测。

Description

一种单光纤单端结构的OTDR-FBG结构损伤检测***
技术领域
本发明属于结构安全检测技术领域，涉及一种基于光纤传感的结构检测***。
背景技术
用于桥梁、大坝、管道、围栏等工程结构安全检测的光纤传感***结构多样，一直有相关的专利产生。例如：专利CN102072741A公开了一种超长距离分布式光纤传感装置，采用多中继放大方式提高分布式光纤传感的检测范围。专利CN102062730A公开了一种利用闪耀型光纤光栅检测实时检测油气管道腐蚀情况的装置；专利CN101975626A公开了一种基于布里渊效应的OTDR分布式光纤传感***；专利CN101832761A公开了一种利用长周期光纤光栅和信号解调模块的高温压力管道的应变装置；专利CN101629855公开了一种利用OTDR中瑞利散射和布里渊散射的外差干涉进行分布式检测的方法；专利CN101830237A公开了一种利用光纤光栅组成的用于重载运输线路安全检测的传感网络。除以上专利外，用于工程结构安全检测的光纤传感***的结构方案还有很多，但是从基本结构来说只有两类，一类是单点式或准分布式检测，一般采用光纤光栅或类似光纤传感器连接而成，精度高、但是只能离散的点式检测；另一类是分布式检测，一般采用光时域反射技术(OTDR)，可以实现单光纤大范围区域的连续检测，但精度相对较低且信号解调复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的上述不足，提供一种即的结构安全检测***。为此，本发明采用如下的技术方案。
一种单光纤单端结构的OTDR-FBG结构损伤检测***，包括光时域反射传感信号检测模块、光纤光栅传感信号检测模块、波分复用器、单模光纤和至少一个光纤光栅，光时域反射传感信号检测模块和光纤光栅传感信号检测模块经过波分复用器连接到单模光纤，光纤光栅串接在单模光纤上，使用时各个光纤光栅位于待检测的工程结构的不同部位上；光时域反射传感信号检测模块包括窄脉冲光源和信号检测单元，其产生的窄脉冲光经过波分复用器耦合到单模光纤，由单模光纤反向传回的光被送入光时域反射传感信号检测模块的信号检测单元，由信号检测单元根据传回的光的光强信号，探测所检测的工程结构是否存在损伤及损伤程度；所述的光纤光栅传感信号检测模块包括宽带光源和信号检测单元，所述的宽带光源的波段与窄脉冲光源的波段不重叠，由宽带光源产生的连续光经过波分复用器耦合到单模光纤，由单模光纤反向传回的光被送入光纤光栅传感信号检测的信号检测单元，位于工程结构的不同部位上的光纤光栅的中心频率不同，由信号检测单元根据传回的光的光谱变化，探测所检测的工程结构的各个部位上的应变。
本发明利用波分复用技术，将基于光纤OTDR技术的建筑结构分布式安全评估性检测，与基于光纤光栅技术的建筑结构关键点安全检测结合起来，充分利用两类测量技术的特点，并互补性地弥补了两类测量技术的不足，即实现了建筑结构整体安全的评估，又能对建筑结构的关键部位进行精密的实时监控。适合于桥梁、大坝、石油管道等复杂结构***的安全检测。
附图说明
附图1为单光纤单端结构的集成OTDR-FBG结构损伤检测***图。1为光时域反射(OTDR)传感信号检测模块，用于分布式传感检测。2为光纤光栅(FBG)传感信号检测模块，用于关键点的传感检测。3为波分复用器，用于复用1310nm的光时域反射用脉冲光和C波段的光纤光栅用连续光。4为所检测的建筑结构。5为光纤光栅，布置于建筑结构的关键位置。6为普通单模光纤，分布于建筑结构中。7为建筑结构产生的裂缝
具体实施方式
本发明采用低动态范围、高采样分辨率的OTDR模块作为分布式传感检测***，OTDR模块是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，包括脉冲光源和信号检测单元两部分。它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。本发明采用的OTDR模块具有1310nm窄脉冲光源，信号检测单元主要包括用于背向散射光强接收的光电二极管及信号采集分析器件。采用光纤光栅(FBG)传感信号检测模块，作为关键点传感检测***，包括宽带光源和信号检测单元两部分。本实施例采用的宽带光源是C波段(1520nm-1565nm)宽带光源，信号检测单元主要包括用于光纤光栅反射光谱检测分析的F-P扫描滤波器件。每个光纤光栅中心波长(传感波长)都是C波段(1520nm-1565nm)的，但是有所区别。例如FBG1是1550nm，FBG2是1555nm，FBG3是1545nm，他们之间有各自独立的工作频带。
测量过程如下所述：1310nm窄脉冲光源与C波段宽带光源发射的光通过波分复用器(WDM)耦合到单模光纤，单模光纤上根据实际需求串联不同数量的光纤光栅。单模光纤埋于测试的建筑结构中，如：浇筑于混凝土中，确保单模光纤的形变和建筑结构整体形变保持一致。在布设单模光纤的同时，将串联其上的光纤光栅置于建筑结构的关键位置。
当所检测的建筑结构受外力作用产生裂缝或形变时，整体检测而言，单模光纤对其上产生的裂缝通过背向散射光强的变化来检测；关键点检测而言，光纤光栅对其上产生的形变通过反射光谱的波长漂移来检测。因此，通过整体的评估性测量和关键点的精细测量实现对建筑物整体的安全监控。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，将单模光纤6按照实际环境要求，埋于测试结构的混凝土结构4中，单模光纤6上串联光纤光栅5，将光纤光栅5的位置按照实际需求安装在测试结构的关键位置。
光时域反射(OTDR)模块1发出的1310nm脉冲光通过波分复用器3耦合到单模光纤6中，单模光纤6中的后向反射光反向传输回光时域反射模块1进行测试结构整体的分步式检测。当测试结构产生裂缝7时，裂缝7与单模光纤6接触部位的反射光强发生改变，进而检测裂缝产生的程度。
光纤光栅(FBG)传感模块2发出的C波段(1520nm-1565nm)连续光通过波分复用器3耦合到单模光纤6中，单模光纤串联的光纤光栅5反射特定波长的光谱，反向传输回光纤光栅(FBG)传感模块，且光谱随光纤光栅6上产生的应变而变化。因此，测量光谱的变化，则可以精确地测量光纤光栅6所在关键点的应力变化。
上述方式，通过波分复用的方法集成以上两种检测手段，既可以对建筑结构的整体缺陷进行评估，又可以对关键部位的损坏进行实时检测，起到平时预防和灾害报警的作用。
本发明以市场上常用的OTDR模块和FBG作为检测部件，实际应用中，可以选用其他的波长和波段，只要两者波段没有重叠既可。

Claims (1)

1.一种单光纤单端结构的OTDR-FBG结构损伤检测***，包括光时域反射传感信号检测模块、光纤光栅传感信号检测模块、波分复用器、单模光纤和至少一个光纤光栅，光时域反射传感信号检测模块和光纤光栅传感信号检测模块经过波分复用器连接到单模光纤，光纤光栅串接在单模光纤上，使用时各个光纤光栅位于待检测的工程结构的不同部位上；光时域反射传感信号检测模块包括窄脉冲光源和信号检测单元，其产生的窄脉冲光经过波分复用器耦合到单模光纤，由单模光纤反向传回的光被送入光时域反射传感信号检测模块的信号检测单元，由信号检测单元根据传回的光的光强信号，探测所检测的工程结构是否存在损伤及损伤程度；所述的光纤光栅传感信号检测模块包括宽带光源和信号检测单元，所述的宽带光源的波段与窄脉冲光源的波段不重叠，由宽带光源产生的连续光经过波分复用器耦合到单模光纤，由单模光纤反向传回的光被送入光纤光栅传感信号检测的信号检测单元，位于工程结构的不同部位上的光纤光栅的中心频率不同，由信号检测单元根据传回的光的光谱变化，探测所检测的工程结构的各个部位上的应变。
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