CN105021330A - 碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法；该智能钢绞线的组成结构包括智能传感筋(1)和金属箔片(4)和碳纤维丝(5)；预应力监测装置包括可调谐激光器(6)、1:99光分束器(7)、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(24)、采集和处理装置(22)以及应力产生装置(21)。本发明实现对钢绞线连续应变分布式监测，所监测的智能钢绞线的长度可达5m，应变分布的定位精度为2mm；其传感灵敏度为1.2pm/με，应变响应的动态范围为3με-150με；能够实现连续监测，实时获取智能钢绞线中的应变分布信息。

Description

碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种基于光频域反射技术的碳纤维增强型智能钢绞线及预应监测装置及方法。

背景技术

随着我国国民经济的持续发展，大型基础设施的投入比重逐年增大。然而对于一些大型的基础设施，其结构多为混凝土结构。对于混凝土结构设施，由钢绞线构成的预应力钢丝是非常重要的，它提供必要的预应力来平衡外部荷载对结构产生的作用。在预应力混凝土结构中，预应力钢丝一般处于高应力条件下，它的性能对预应力混凝土结构的安全性和耐久性有着显著的影响。预应力损失会降低混凝土构件的抗裂性和刚度，严重时导致构件发生开裂，持续下挠现象，还会对耐久性产生严重影响，造成安全隐患。

光频域反射技术(OFDR，Optical Frequency Domain Reflectory)凭借其具有非接触损伤、信号噪声小、响应速度快、测量范围大、信噪比高、受光强变化影响等优点，得到了广泛的研究和应用。该技术采用高相干激光器进行高速和线性波长扫描，利用参考臂上由法拉第反射镜反射的光与单模光纤背向散射光进行干涉。由于二者的光程不同，干涉端实际上是不同频率两束光进行干涉，形成拍频。通过探测不同的拍频信号，就可以探测传感光纤不同位置的背向瑞利散射信息。

光纤中的瑞利散射是由光纤本身折射率随机变化导致的，而散射的振幅又是测试距离的函数。由于光纤中存在这种比较稳定的随机分布的性质，所以光纤可以看做是一种较长的具有随机周期的弱光纤布拉格光栅。而当受到外界应力刺激时，光纤的背向瑞利散射信号的光谱就会发生漂移，其漂移量的大小与光纤所受的应变成正比。通过检测光纤的背向瑞利散射信号的光谱漂移量，就可以计算得到光纤所受应变的分布信息。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法，提出了一种智能钢绞线结构，并且基于光频域反射技术实现了利用前述智能钢绞线结构的预应力监测装置，以及提出了一种预应力监测方法。

本发明公开了一种用于预应力监测的碳纤维增强型智能钢绞线，该智能钢绞线的组成结构包括智能传感筋1和金属箔片4和碳纤维丝5；其中：智能传感筋1包括单模光纤2和轻铠光缆3，单模光纤2为监测智能钢绞线的应变状态的传感元件，具有紫外光涂层；轻铠光缆3为在一束的单模光纤2外紧附的多芯紧套材料；金属箔片4用高延性金属箔片作为粘结介质，紧贴在智能传感筋1和碳纤维丝5之间，以保持智能传感筋1和外层碳纤维丝5之间的协同变形；碳纤维丝5作为受力构件，由碳纤维丝螺旋状绞合而成，并紧贴在金属箔片4上，对其进行拉伸或压缩，使之产生应变。

本发明还提出了一种采预应力监测装置，该应变监测装置包括可调谐激光器6、1:99光分束器7、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24、采集和处理装置22以及应力产生装置18；所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23包括第一环形器8、第一50:50耦合器9、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12、延迟光纤10和第一平衡探测器13，用于实现等光频间距采样，抑制光源的非线性扫描；所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24包括第二50:50耦合器14、第三50:50耦合器17、偏振控制器15、第二环形器16、第二平衡探测器18；所述1:99光分束器7还包括两个端口，即第一光分束端口71、第二光分束端口72和第三光分束端口72；第一环形器8还包括两个端口，即第一环行器端口一81和第一环行器端口二82；第二环形器16还包括三个端口，即第二环行器端口一161、第二环行器端口二162和第二环行器端口三163；第一50:50耦合器9还包括四个端口，即第一50:50耦合器端口一91、第一50:50耦合器端口二92、第一50:50耦合器端口三93和第一50:50耦合器端口四94；第二50:50耦合器14还包括四个端口，即第二50:50耦合器端口一141、第二50:50耦合器端口二142、第一50:50耦合器端口三143和第二50:50耦合器端口四144；三一50:50耦合器17还包括四个端口，即第三50:50耦合器端口一171、第三50:50耦合器端口二172、第三50:50耦合器端口三173和第三50:50耦合器端口四174；其中：

所述可调谐激光器6的出射光由所述1:99光分束器7的第一光分束端口71进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器7的第二光分束端72和第三光分束端口73分配到所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23和所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24；

在所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23中：一路自1:99光分束器7的光从第一50:50耦合器9的第一耦合端口进入，从第一50:50耦合器9的第一50:50耦合器端口二92和第一50:50耦合器端口三93出射，分别被设置于基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***18的两臂的第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12反射，并返回到第一50:50耦合器9的第二耦合端口和第三耦合端口，两束光在第一50:50耦合器9中发生干涉，从第一50:50耦合器9的第一耦合器端口一91和第二耦合器端口二(92)输出；第一50:50耦合器4第一耦合端口返回的干涉光从第一环形器8的第一环形器端口二82进入，再从第一环形器端口二83输出；延迟光纤10设置于第二法拉第旋转镜12的输入光路上，用于实现非等臂的拍频干涉；第一平衡探测器13用于将基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置22；

在所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24中：另一路来自1:99光分束器7的光从第二50:50耦合器14的第二50:50耦合器端口一141进入，经过第二50:50耦合器端口二142进入偏振控制器15，以及经过第二50:50耦合器端口三143进入测试臂上的第二环形器16的第二环形器端口一161；光从第二环形器16的第二环形器端口一161进入智能钢绞线19中的传感光缆20，而传感光缆20的背向散射光从第二环形器16的第二环形器端口一161进入，从第二环形器端口二162输出；从偏振控制器15和第二环形器端口二162输出的背向散射光通过第三50:50耦合器17的第三50:50耦合器端口一171和第三50:50耦合器端口二172进入该第三50:50耦合器17进行合束，形成拍频干涉并从第三50:50耦合器12的第三50:50耦合器端口三173和第三50:50耦合器端口四174输出；第二平衡探测器18：用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***19产生的光信号转换为电信号，第二平衡探测器18用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***25产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置22；应力产生装置21反复加载，产生对智能钢绞线19的拉应力或压应力。

以及，本发明再提出了一种预应力监测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用所述预应力监测装置进行两次对智能钢绞线中单模光纤背向瑞利散射信号的测量，得到两个信号，即静态背向瑞利散射参考信号和应力刺激下的背向瑞利散射信号；

步骤二、对上述两组信号进行快速傅里叶变换，使主干涉信号从波长域转换为距离域；

步骤三、采用一个移动窗对整个光缆的本地距离域信息进行扫描，得到整个光缆的本地的距离域信息，且将整个距离域信息划分为不同位置的等长度背向散射信号；

步骤四、同时对两组信号中相同位置的信号做逆傅里叶变换，使之恢复为光频域信号；

步骤五、依次对每个位置的光频域信号作互相关运算，发生光谱漂移的位置即为存在应变的位置，而不存在光谱漂移的位置则可以认为是没有应变发生的位置；

步骤六、计算光缆中各个位置的瑞利散射光谱漂移量，即可标定对应位置处所受的应变大小；

步骤七、得到光缆中各个位置的应变分布信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明的技术可以实现对钢绞线连续应变分布式监测，克服了当前监测技术中无法实现对钢绞线所受应变的整体长度范围内的监测的技术问题；该方法的监测的智能钢绞线的长度可达5m，应变分布的定位精度为2mm；其传感灵敏度为1.2pm/με，应变响应的动态范围为3με-150με；本发明可以实现长时间连续监测，实时获取智能钢绞线中的应变分布信息。

附图说明

图1是智能钢绞线的结构示意图；其中：(A)为智能钢绞线的横向剖面图，(B)为智能钢绞线的径向结构图；附图标记为：1、智能传感筋；2、单模光纤3、轻铠光缆；4、金属箔片；5、碳纤维丝；

图2是本发明基于光频域反射技术的智能钢绞线应变测量装置构成示意图；

6、可调谐激光器；7、1:99光光分束器；8、第一环形器；9、第一50:50耦合器；10、延迟光纤；11、第一法拉第旋转镜；12、第二法拉第旋转镜；13、第一平衡探测器；14、第二50:50耦合器；15、偏振控制器；16、第二环形器；17、第三50:50耦合器；18、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***；19、智能钢绞线；20、传感光缆；21、第二平衡探测器；22、采集和处理装置；23、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***；24、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***；71、第一光分束端口；72、第二光分束端口；73、第三光分束端口；81、第一环行器端口一；82、第一环行器端口二；91、第一50:50耦合器端口一；92、第一50:50耦合器端口二；93、第一50:50耦合器端口三；94、第一50:50耦合器端口四；141、第二50:50耦合器端口一；142、第二50:50耦合器端口二；143、第二50:50耦合器端口三；144、第二50:50耦合器端口四；161、第一环行器端口一；162、第一环行器端口二；163、第一环行器端口三；171、第三50:50耦合器端口一；172、第三50:50耦合器端口二；173、第三50:50耦合器端口三；174、第三50:50耦合器端口四；第一光分束端口；

图3是基于光频域反射技术的智能钢绞线应变监测方法示意图；

图4是智能钢绞线某位置产生应变后的互相关运算波长漂移示意图；

图5是智能钢绞线内芯光纤光谱漂移量与光纤所受应变的拟合曲线；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明的用于预应力监测的碳纤维增强型智能钢绞线，如图1所示，该智能钢绞线组成结构包括：智能传感筋1和金属箔片4和碳纤维丝5。其中的智能传感筋1为碳纤维增强型智能钢绞线的主要传感部件，包括单模光纤2和轻铠光缆3；单模光纤2为监测智能钢绞线的应变状态的传感元件，具有紫外光涂层；轻铠光缆3为在一束的单模光纤2外紧附的多芯紧套材料；金属箔片4，用高延性金属箔片作为粘结介质，紧贴在智能传感筋1和碳纤维丝5之间，以保持智能传感筋1和外层碳纤维丝5之间的协同变形；碳纤维丝5，作为受力构件，由碳纤维丝螺旋状绞合而成，并紧贴在金属箔片4上，对其进行拉伸或压缩，使之产生应变。

如图2所示，为本发明的应变监测装置，包括可调谐激光器6、1:99光分束器7、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24、采集和处理装置和应力产生装置22；其中：

可调谐激光器6，用于为该装置提供光源，光源采用超窄线宽线性调谐回音壁模式自注入锁模激光光源，其光频能够进行线性扫描；

1:99光分束器7，可调谐激光器6的出射光由所述1:99光分束器7的第一光分束端口71进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器7的第二光分束端口72端口和c端口分配到基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23和基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24；

基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***18，实现等光频间距采样，其目的是抑制光源的非线性扫描，其结构包括第一环形器8、第一50:50耦合器9、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12、延迟光纤10和第一平衡探测器13；

第一50:50耦合器9用于光干涉，光从第一50:50耦合器9的第一50:50耦合器端口一91进入，从第一50:50耦合器端口二92和第一50:50耦合器端口三93出射，分别被基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23的两臂的第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12反射，并返回到第一50:50耦合器9的b端口和c端口，两束光在第一50:50耦合器9中发生干涉，从第一50:50耦合器9的a端口和b端口输出；第一环形器8用于接收从第一50:50耦合器9的a端口返回的干涉光；光从第一环形器8的b端口进入，在从c端口输出；第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12用于提供反射，且能够消除偏振衰落现象；延迟光纤10用于实现非等臂的拍频干涉；平衡探测器13用于将基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***24产生的光信号转换为电信号，采用的是低噪声平衡探测器，用于消除进入探测器两路信号存在的共模噪声；

基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***23是监测装置的核心，包括第二50:50耦合器14、第三50:50耦合器17、偏振控制器15、第二环形器16、第二平衡探测器21；

第二50:50耦合器14，用于马赫曾德干涉仪分束，光从第二50:50耦合器14的第二50:50耦合器端口一141进入，经过第二50:50耦合器端口二142进入偏振控制器15，经过第二50:50耦合器端口三143进入测试臂第二环形器端口一161；偏振控制器15调节参考光的偏振态，使其在正交方向上光强基本一致；第二环形器16使光从第二环形器端口一162进入智能钢绞线19中的传感光缆20，而传感光缆20的背向散射光从从第二环形器端口三163进入，从从第二环形器端口二162输出；第三50:50耦合器17的作用是将从偏振控制器15和从第二环形器端口二162输出的背向散射光通过第三50:50耦合器端口一171和第三50:50耦合器端口二172进入该第三50:50耦合器17进行合束，形成拍频干涉并从第三50:50耦合器端口三173和第三50:50耦合器端口三174输出；平衡探测器18用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***24产生的光信号转换为电信号，平衡探测器18采用的是低噪声平衡探测器，用于消除进入探测器两路信号存在的共模噪声；

采集和处理装置22：将平衡探测器18输出的模拟电信号采集到计算机，采集和处理装置22的时钟源来自基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***23；

应力产生装置22：利用通过反复加载对智能钢绞线19产生拉应力或压应力。

本发明同时提出了基于光频域反射技术的智能钢绞线应变监测方法，流程如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：进行两次对智能钢绞线中单模光纤背向瑞利散射信号的测量，得到两个信号，即：静态背向瑞利散射参考信号(第一次测量光缆不受任何外界影响下的信号作为参考信号)和应力刺激下的背向瑞利散射信号(第二次测量光缆受到外界应力作用下的信号作为被测信号)；

步骤二：对上述两组信号进行快速傅里叶变换，使主干涉信号从波长域转换为距离域；

步骤三：采用一个移动窗对整个光缆的本地距离域信息进行扫描，得到整个光缆的本地的距离域信息，且将整个距离域信息划分为不同位置的等长度背向散射信号；

步骤四：同时对两组信号中相同位置的信号做逆傅里叶变换，使之恢复为光频域信号；

步骤五：依次对每个位置的光频域信号作互相关运算，发生光谱漂移的位置即为存在应变的位置，而不存在光谱漂移的位置则可以认为是没有应变发生的位置；

步骤六：计算光缆中各个位置的瑞利散射光谱漂移量，即可标定对应位置处所受的应变大小；

步骤七、得到光缆中各个位置的应变分布信息。

如图4所示，当智能钢绞线受到一定的应力，使之产生的应变数值为3με时，该智能钢绞线产生的光谱漂移量为4pm，利用发明中所述互相关算法可以准确的测量得到；

对智能钢绞线施加不同大小的应力，使其本身产生的应变量逐步增加，同时测得光纤本身的光谱移动量。依次记录对应的数值并作线性拟合，如图5所示。通过分析图中数据得到，光纤光谱漂移量与智能钢绞线所受应变量基本成正比，其拟合优度达到了0.9977，由此可以推算得到智能钢绞线的传感灵敏度为1.22pm/με。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示之下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种碳纤维增强型智能钢绞线，其特征在于：该智能钢绞线的组成结构包括智能传感筋(1)和金属箔片(4)和碳纤维丝(5)；其中：智能传感筋(1)包括单模光纤(2)和轻铠光缆(3)，单模光纤(2)为监测智能钢绞线的应变状态的传感元件，具有紫外光涂层；轻铠光缆(3)为在一束的单模光纤(2)外紧附的多芯紧套材料；金属箔片(4)用高延性金属箔片作为粘结介质，紧贴在智能传感筋(1)和碳纤维丝(5)之间，以保持智能传感筋(1)和外层碳纤维丝(5)之间的协同变形；碳纤维丝(5)作为受力构件，由碳纤维丝螺旋状绞合而成，并紧贴在金属箔片(4)上，对其进行拉伸或压缩，使之产生应变。

2.一种采用如权利要求1所述的碳纤维增强型智能钢绞线的预应力监测装置，其特征在于，该应变监测装置包括可调谐激光器(6)、1:99光分束器(7)、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(24)、采集和处理装置(22)以及应力产生装置(21)；所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)包括第一环形器(8)、第一50:50耦合器(9)、第一法拉第旋转镜(11)、第二法拉第旋转镜(12)、延迟光纤(10)和第一平衡探测器(13)，用于实现等光频间距采样，抑制光源的非线性扫描；所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(24)包括第二50:50耦合器(14)、第三50:50耦合器(17)、偏振控制器(15)、第二环形器(16)、第二平衡探测器(18)；所述1:99光分束器(7)还包括两个端口，即第一光分束端口(71)、第二光分束端口(72)和第三光分束端口(72)；第一环形器(8)还包括两个端口，即第一环行器端口一(81)和第一环行器端口二(82)；第二环形器(16)还包括三个端口，即第二环行器端口一(161)、第二环行器端口二(162)和第二环行器端口三(163)；第一50:50耦合器(9)还包括四个端口，即第一50:50耦合器端口一(91)、第一50:50耦合器端口二(92)、第一50:50耦合器端口三(93)和第一50:50耦合器端口四(94)；第二50:50耦合器(14)还包括四个端口，即第二50:50耦合器端口一(141)、第二50:50耦合器端口二(142)、第一50:50耦合器端口三(143)和第二50:50耦合器端口四(144)；三一50:50耦合器(17)还包括四个端口，即第三50:50耦合器端口一(171)、第三50:50耦合器端口二(172)、第三50:50耦合器端口三(173)和第三50:50耦合器端口四(174)；其中：

所述可调谐激光器(6)的出射光由所述1:99光分束器(7)的第一光分束端口(71)进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器(7)的第二光分束端口(72)和第三光分束端口(73)分配到所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)和所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(24)；

在所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)中：一路自1:99光分束器(7)的光从第一50:50耦合器(9)的第一耦合端口进入，从第一50:50耦合器(9)的第一50:50耦合器端口二(92)和第一50:50耦合器端口三(93)出射，分别被设置于基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(18)的两臂的第一法拉第旋转镜(11)和第二法拉第旋转镜(12)反射，并返回到第一50:50耦合器(9)的第二耦合端口和第三耦合端口，两束光在第一50:50耦合器(9)中发生干涉，从第一50:50耦合器(9)的第一耦合器端口一(91)和第二耦合器端口二(92)输出；第一50:50耦合器(4)第一耦合端口返回的干涉光从第一环形器(8)的第一环形器端口二(82)进入，再从第一环形器端口二(83)输出；延迟光纤(10)设置于第二法拉第旋转镜(12)的输入光路上，用于实现非等臂的拍频干涉；第一平衡探测器(13)用于将基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发***(23)产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置(22)；

在所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(24)中：另一路来自1:99光分束器(7)的光从第二50:50耦合器(14)的第二50:50耦合器端口一(141)进入，经过第二50:50耦合器端口二(142)进入偏振控制器(15)，以及经过第二50:50耦合器端口三(143)进入测试臂上的第二环形器(16)的第二环形器端口一(161)；光从第二环形器(16)的第二环形器端口一(161)进入智能钢绞线(19)中的传感光缆(20)，而传感光缆(20)的背向散射光从第二环形器(16)的第二环形器端口一(161)进入，从第二环形器端口二(162)输出；从偏振控制器(15)和第二环形器端口二(162)输出的背向散射光通过第三50:50耦合器(17)的第三50:50耦合器端口一(171)和第三50:50耦合器端口二(172)进入该第三50:50耦合器(17)进行合束，形成拍频干涉并从第三50:50耦合器(12)的第三50:50耦合器端口三(173)和第三50:50耦合器端口四(174)输出；第二平衡探测器(18)：用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(19)产生的光信号转换为电信号，第二平衡探测器(18)用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪***(25)产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置(22)；应力产生装置(21)反复加载，产生对智能钢绞线(19)的拉应力或压应力。

3.一种利用如权利要求2所述预应力监测装置的预应力监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用所述预应力监测装置进行两次对智能钢绞线中单模光纤背向瑞利散射信号的测量，得到两个信号，即：静态背向瑞利散射参考信号和应力刺激下的背向瑞利散射信号；

步骤二、对上述两组信号进行快速傅里叶变换，使主干涉信号从波长域转换为距离域；

步骤三、采用一个移动窗对整个光缆的本地距离域信息进行扫描，得到整个光缆的本地的距离域信息，且将整个距离域信息划分为不同位置的等长度背向散射信号；

步骤四、同时对两组信号中相同位置的信号做逆傅里叶变换，使之恢复为光频域信号；

步骤五、依次对每个位置的光频域信号作互相关运算，发生光谱漂移的位置即为存在应变的位置，而不存在光谱漂移的位置则可以认为是没有应变发生的位置；

步骤六、计算光缆中各个位置的瑞利散射光谱漂移量，即可标定对应位置处所受的应变大小；

步骤七、得到光缆中各个位置的应变分布信息。