CN105891337B - 混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置及方法，包括底板、第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板的顶部通过弧载纤道连接，所述第一侧板和第二侧板的顶部分别铰接有第一弧盖和第二弧盖，第一弧盖下端面固定连接有第一弧压体，第二弧盖下端面固定连接有第二弧压体，第一弧压体下方设有位于弧载纤道内的第一传感光纤，第二弧压体下方设有第二传感光纤，第一弧盖和第二弧盖通过锁紧装置连接。本发明的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，通过设有多个第一通孔、第二通孔和主共腔洞，利用增加声波的传递，构建了多层级多不同持续时间的声发射源，进而实现对传感光纤内光信息的多层级多不同持续时间的影响。

Description

混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置及方法，属于水工结构健康监测领域。

背景技术

传感光纤同时具有“传”和“感”两种功能，基于光纤传感技术的传感器种类繁多，同一种参量可以使用不同类型的传感器来测量，但是光纤传感技术的核心思想是检测光受到外界参数的调制，按照光在光纤中的被调制的原理分为强度调制型、相位调制型、频率调制型、波长调制型和偏振态调制型等类型，随着光信息和传感技术的发展，光纤传感技术具有了长足的进步，在传感方式、传感原理以及信号的探测与处理等方面都具有传统的电学传感器所没有的优势。

声发射技术是一种先进的无损检测技术，它通过探测和分析被测物自身发生的声波获知被测物内部的损伤、断裂、变形等信息，该技术在石油、航空、土木等领域有着广泛的应用，声发射关键元件是对声波进行采集和探测的声发射传感器，传统的声发射传感器都是通过压电陶瓷或者压电晶体材料制作而言，其抗电磁干扰能力差、信号传输短等缺点，通过将光纤传感技术和声发射技术融合，即可以避免抗电磁干扰能力差、信号传输短的缺点，而且光纤传感技术可以弥补声发射无法监测温度等其他信息的能力，因此，将光纤传感技术与声发射传感技术融合将大大扩展结构体传感监测检测能力，但是如何更好地实现声发射技术中声波的采集与增强，如何更好地将传感光纤进行布设，在当前光纤传感技术与声发射传感技术融合领域中还未见报道。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置及方法，通过设有多个第一通孔、第二通孔和主共腔洞，利用增加声波的传递，构建了多层级多不同持续时间的声发射源，进而实现对传感光纤内光信息的多层级多不同持续时间的影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，包括底板和与底板两侧固定连接的第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板的顶部通过弧载纤道连接，底板、第一侧板、第二侧板和弧载纤道形成主共腔洞；所述第一侧板和第二侧板的顶部分别铰接有第一弧盖和第二弧盖，第一弧盖下端面固定连接有第一弧压体，第二弧盖下端面固定连接有第二弧压体，第一弧压体下方设有位于弧载纤道内的第一传感光纤，第二弧压体下方设有第二传感光纤，第一弧盖和第二弧盖通过锁紧装置连接；转动第一弧盖和第二弧盖，通过第一弧压体和第二弧压体压紧第一传感光纤和第二传感光纤，后通过锁紧装置锁紧第一弧盖和第二弧盖。

作为优选，所述第一侧板上沿第一传感光纤轴线方向设有若干个第一通孔。

作为优选，所述第二侧板上沿第二传感光纤轴线方向设有若干个第二通孔。

作为优选，所述第一通孔为圆孔，第二通孔为六角孔，第一通孔和第二通孔均为奇数个。

作为优选，所述第一弧盖和第二弧盖上均设有凸角。

作为优选，所述底板、第一侧板和第二侧板的外表面均设有外接槽。

作为优选，所述第一传感光纤和第二传感光纤之间通过载道隔膜隔开。载道隔膜最主要的作用是将第一传感光纤和第二传感光纤隔开，并作为第一传感光纤和第二传感光纤的支撑端，载道隔膜材质最好是硬质塑料体。

一种上述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置的布设方法，包括以下步骤：

第一步，将第一弧盖铰接在第一侧板上，第二弧盖铰接在第二侧板上，并且配备待监测使用的传感光纤作为第一传感光纤和第二传感光纤用，打开第一弧盖和第二弧盖，将第一传感光纤和第二传感光纤放置到弧载纤道中；

第二步，将第一侧板和第二侧板以与水平面夹角为60°的形式将其安装布设，将构成一个主共腔洞，检查第一侧板上的第一通孔和第二侧板上的第二通孔是否存在阻塞情况；

第三步，转动第一弧盖带动第一弧压体的运动，通过第一弧压体中间凸起的部位将第一传感光纤压制到弧载纤道中，转动第二弧盖带动第二弧压体的运动，通过第二弧压体中间凸起的部位将第二传感光纤压制到弧载纤道中；

第四步，通过外接槽从三个位置处将本装置固定到待测结构体中，并对该装置进行埋设，完成最终的布设。

本发明考虑到光纤传感技术与声发射传感技术融合共用中的弊端，提出一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，该装置弥补了当前研究领域的空白，通过构建多共声腔，增加声波的传递，提高分布式传感光纤的监测精度与能力，采用多尺寸、不同形状、不同位置的共声腔布设，对声波的分层多向传递提供了重要的保证，有效地为光纤传感技术与声发射传感技术融合提供了重要的支撑。

有益效果：本发明的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，首先提出一种融合主共腔洞、共腔六角孔和共腔圆孔的传感光纤声发射感知设备布设用装置，创新性地使用了多形空腔孔、大小尺寸空腔孔、空间不同位置空腔孔等手段，构建了多层级多不同持续时间的声发射源，增加了声波的传递，实现了对传感光纤内光信息的多层级多不同持续时间的影响，为能更好地监测结构体服役性态提供重要的保证，本装置操作简单、监测成本低廉、结构完整、流程化和自动化强，为光纤传感与声发射融合技术在实际工程中的应用和推广具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的结构图；

其中：300-第一弧盖、301-第二弧盖、302-左外凸角、303-右外凸角、304-第一侧板、305-第二侧板、306-共腔圆孔、307-共腔六角孔、308-第一弧压体、309-第二弧压体、310-第一弧载纤道、311-第二弧载纤道、312-第一传感光纤、313-第二传感光纤、314-载道隔膜、315-主共腔洞、316-第一外接槽、317-第二外接槽、318-底外接槽。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，包括包括底板和与底板两侧固定连接的第一侧板304和第二侧板305，第一侧板304和第二侧板305的顶部通过弧载纤道连接，弧载纤道包含π/2弧度的第一弧载纤道310和π/2弧度的第二弧载纤道311，底板、第一侧板304、第二侧板305和弧载纤道形成主共腔洞315；所述第一侧板304和第二侧板305的顶部分别铰接有第一弧盖300和第二弧盖301，第一弧盖300下端面固定连接有第一弧压体308，第二弧盖301下端面固定连接有第二弧压体309，第一弧压体308下方设有位于弧载纤道内的第一传感光纤312，第二弧压体309下方设有第二传感光纤313，第一弧盖300和第二弧盖301通过锁紧装置连接；转动第一弧盖300和第二弧盖301，通过第一弧压体308和第二弧压体309压紧第一传感光纤312和第二传感光纤313，后通过锁紧装置锁紧第一弧盖300和第二弧盖301，锁紧装置可以为螺钉、螺栓等连接件，也可以为搭扣。第一弧压体308和第二弧压体309为条形状的凸台，凸台的截面为圆弧状。第二弧盖右侧紧邻第二侧板，为了产生对称性声发射效果，在第二侧板的上端布设了奇数个共腔六角孔，且共腔六角孔的个数为11个，为了与第一侧板上的共腔圆孔在传播声发射波时产生差别，第二侧板上的共腔六角孔为正六边形，为了以更好的角度实现声发射传播的共鸣，可以更好地利用声发射源对共腔圆孔和主共腔洞产生共鸣时将信息传递给传感光纤。

三个边长2cm等边三角形的正三棱锥状的左外凸角302的底端与长度5cm、宽度1cm的第一弧盖300的顶端面相连接，左外凸角302主要是在本装置在被埋设时增加与待监测结构体之间的摩擦，以增强本装置与待测结构体之间的协同变形能力，转动第一弧盖300可以带动第一弧压体308运动，弧度π/3的第一弧压体308的顶端面与长度5cm、宽度1cm的第一弧盖300的底端面相连接，弧度π/2、半径为5cm圆弧形式的第一弧载纤道310、长度5cm的载道隔膜314和弧度π/3的第一弧压体308构成了三角结构，第一弧压体308与第一弧载纤道310相连接，该三角结构可以将GJJV型号紧套第一传感光纤312进行有效的固定，本实例中一共配置了11个直径为3cm、截面是圆形结构的共腔圆孔306，该11个共腔圆孔306每间隔距离为1cm形式分布在长度20cm、宽度5cm的第一侧板304，第一侧板304与水平夹角为60°，第一侧板304与第一弧载纤道310相连接，在第一侧板304的中下部开设有开孔高2cm、宽4cm的第一外接槽316，第一外接槽316为工字形开口，可以减少在埋设本装置时的干扰。

在本发明中，第二弧盖301长度5cm、宽度1cm，右外凸角303为三个边长2cm等边三角形的三棱锥状，第二侧板305为长度20cm、宽度5cm的，共腔六角孔307截面为等边六边形，第二外接槽317边长为1cm的、开孔高2cm、宽4cm，第二弧压体309弧度π/3，第二弧载纤道311为弧度π/2、半径为5cm圆弧形式，GJJV型号紧套第二传感光纤313。GJJV型号紧套第二传感光纤313被布设在弧度π/2、半径为5cm圆弧形式的第二弧载纤道311中，弧度π/3的第二弧压体309的顶缘与长度5cm、宽度1cm的第二弧盖301的底端相接，长度5cm、宽度1cm的第二弧盖301的顶端面与三个边长2cm等边三角形的右外凸角303的底端面相连接，长度5cm、宽度1cm的第二弧盖301右侧边缘与长度20cm、宽度5cm的第二侧板305相连接，长度5cm、宽度1cm的第二弧盖301即作为右外凸角303的承载体，也将弧度π/3的第二弧压体309压制到第二弧载纤道311中，利用第二弧压体309凸起设置将GJJV型号紧套第二传感光纤313压制到紧邻载道隔膜的位置处，长度20cm、宽度5cm的第二侧板305从上到下依次布设有等尺寸的截面为等边六边形、边长为1cm的共腔六角孔307，第二侧板305的上端布设了11个共腔六角孔307，第二侧板305与水平夹角为60°，第二外接槽317和开孔高1cm、宽5cm的底外接槽318为工字形开口，可减少埋设装置时的干扰。

一种如上述的一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置的运行方法，包括以下步骤：

(1)确定所使用装置的个数及分布式传感光纤的长度

本实施例选择西北某混凝土坝施工过程中某迎水面150m×100m的区域，其周长为500m，考虑可能的弯曲及引线的用途，确定最终的GJJV型号紧套传感光纤的长度为600m，基于所使用的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置的厚度为2m，以及实际工程中需要重点监测的部位的范围，最终确定选择50个混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，在每个混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置之间用橡胶管进行保护埋设，为了更好地描述本装置的运行细节，优先选用其中一个装置运行进行细致论述；

(2)装配第一布设模块和第二布设模块

将长度20cm、宽度5cm的第一侧板304和长度20cm、宽度5cm的第二侧板305以与水平面夹角为60°的形式将其安装布设，构成一个主共腔洞315，并且挨个检查第一侧板304上的11个直径为3cm、截面是圆形结构的共腔圆孔306和第二侧板305上的11个截面为等边六边形、边长为1cm的共腔六角孔307是否存在阻塞情况，如果存在阻塞或者不通，需要进行疏通处理，打开第一弧盖300和第二弧盖301，将第一传感光纤312和第二传感光纤313放置到第一弧载纤道310和第二弧载纤道311中；

(3)闭合装置与初次运行调试

通过转动长度5cm、宽度1cm的第一弧盖300和长度5cm、宽度1cm的第二弧盖301可以带动弧度π/3的第一弧压体308和弧度π/3的第二弧压体309的运动，弧度π/3的第一弧压体308与弧度π/2、半径为5cm圆弧形式的第一弧载纤道310和长度5cm的载道隔膜314形成三角布设形式，弧度π/3的第二弧压体309与弧度π/2、半径为5cm圆弧形式的第二弧载纤道311和长度5cm的载道隔膜314形成三角布设形式，且弧度π/3的第一弧压体308和弧度π/3的第二弧压体309为中间凸起结构，可以将GJJV型号紧套第一传感光纤312和GJJV型号紧套第二传感光纤313以非刚性的方式进行固定，三角布设的组合形式可以更好地利用声发射源对共腔圆孔306、共腔六角孔307和主共腔洞315产生共鸣时将信息传递给第一传感光纤312和第二传感光纤313，将第一传感光纤312和第二传感光纤313连接到待测仪器上进行初次调试，检查装置运行情况；

(4)埋设装置完成布设

选择好待测结构体中能够固定的部位，本实例中是依附于钢筋结构，因此，将开孔高2cm、宽4cm的第一外接槽316、开孔高2cm、宽4cm的第二外接槽317和开孔高1cm、宽5cm的底外接槽318分别穿过待测结构体中的钢筋构件，且按照由近到远、先直后弯、先上后下的顺序将各个装置依次进行布设安装，待所有装置都布设完成之后，对其进行埋设，完成最终的布设。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：包括底板和与底板两侧固定连接的第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板的顶部通过弧载纤道连接，底板、第一侧板、第二侧板和弧载纤道形成主共腔洞；所述第一侧板和第二侧板的顶部分别铰接有第一弧盖和第二弧盖，第一弧盖下端面固定连接有第一弧压体，第二弧盖下端面固定连接有第二弧压体，第一弧压体下方设有位于弧载纤道内的第一传感光纤，第二弧压体下方设有第二传感光纤，第一弧盖和第二弧盖通过锁紧装置连接；转动第一弧盖和第二弧盖，通过第一弧压体和第二弧压体压紧第一传感光纤和第二传感光纤，后通过锁紧装置锁紧第一弧盖和第二弧盖。

2.根据权利要求1所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述第一侧板上沿第一传感光纤轴线方向设有若干个第一通孔。

3.根据权利要求2所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述第二侧板上沿第二传感光纤轴线方向设有若干个第二通孔。

4.根据权利要求3所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述第一通孔为共腔圆孔，共腔圆孔截面为圆孔，第二通孔为共腔六角孔，共腔六角孔截面为六角孔，第一通孔和第二通孔均为奇数个。

5.根据权利要求4所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述第一弧盖和第二弧盖上均设有凸角。

6.根据权利要求5所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述底板、第一侧板和第二侧板的外表面均设有外接槽。

7.根据权利要求6所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置，其特征在于：所述第一传感光纤和第二传感光纤之间通过载道隔膜隔开。

8.一种如权利要求7所述的混凝土结构服役性态光纤声发射感知设备布设装置的布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将第一弧盖铰接在第一侧板上，第二弧盖铰接在第二侧板上，并且配备待监测使用的传感光纤作为第一传感光纤和第二传感光纤用，打开第一弧盖和第二弧盖，将第一传感光纤和第二传感光纤放置到弧载纤道中；

第二步，将第一侧板和第二侧板以与水平面夹角为60°的形式将其安装布设，将构成一个主共腔洞，检查第一侧板上的第一通孔和第二侧板上的第二通孔是否存在阻塞情况；

第三步，转动第一弧盖带动第一弧压体的运动，通过第一弧压体中间凸起的部位将第一传感光纤压制到弧载纤道中，转动第二弧盖带动第二弧压体的运动，通过第二弧压体中间凸起的部位将第二传感光纤压制到弧载纤道中；

第四步，通过外接槽从三个位置处将本装置固定到待测结构体中，并对该装置进行埋设，完成最终的布设。