CN110319862B - 一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，由嵌套组合的内外两段管体、定位卡具、护盖、夹具、保护套管组成。将传感光缆在内管体表面绕制成螺旋状结构，再嵌入外管体内，再由护盖、保护套管封装管体。管体两端用夹具紧贴护盖外侧夹住光缆，让管体内的光缆获得一个预应力。在进行大范围传感时，将多个同样的管体用一根光缆以一定的间隔串联起来，并埋入待测对象中，可通过分布式光纤应变传感设备实现对各个位置应变的测量。该装置将传感光缆原本纵向产生的拉力转化为螺旋式的紧缩力，并将短距离上的应变平均扩展到管体内的整根光缆上，既有效增大了传感光缆的量程，也提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于土木工程监测和分布式光纤传感领域，尤其涉及一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置。
背景技术
大型土木工程如公路养护、边坡监测、以及隧道、桥梁、水利枢纽等各类工程中，由于外部荷载或者环境的作用，构筑体会发生不同程度的变形，一种是大范围或整体的均匀和不均匀变形，这种变形在开始阶段一般用肉眼不易观察到；二是以各种裂隙为主的局部变形，裂隙的宽度小到几微米，大到几十厘米，且分布不均匀。在工程上需要采取相应的方法和手段进行监测，然而，由于工程环境差异性大，工程条件复杂，监测人员无法经常到现场进行监测，且传统的观测手段落后，信息收集量严重不足且滞后，甚至导致无法对灾害进行预测。
目前分布式光纤应变传感技术已经逐步应用到土木工程监测中，光纤一方面作为传输媒介，另一方面作为传感器，可以准确定位光纤上每一点的参数变化情况。其中背向布里渊散射光不仅同时对温度和应变的变化敏感，而且布里渊频移与温度和应变均呈线性关系，对长距离、大范围、任意位置温度、应变的实时监测非常适用。目前光纤铺设的方式主要有两种，一种是全面粘着方式，将光纤拉直后完全粘贴于结构物上，当结构体局部发生较大形变时，光缆可能直接被拉断，一般光纤可承受的最大应变在1％到2％，无法匹配实际工程环境中的大应变范围；另一种是定点粘着方式，将光纤拉直后以间隔点固定于结构物上，而定点粘着方式无法给光缆提供良好的保护，容易使光缆在施工中和施工后的运维期发生断裂，并且难以同时兼顾对结构体监测的空间精细度和传感***的空间分辨率。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，通过应用螺旋绕制方式对传感光缆的结构进行设计，将传感光缆原本纵向产生的拉力转化为螺旋式的紧缩力，并将短距离上的应变平均扩展到管体内的整根光缆上，既有效增大了传感光缆的量程，也提高了测量精度。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，包括传感光缆、嵌套组合的内管体和外管体、护盖、夹具、保护套管。在内管体表面预设一条螺旋状的滑动轨道，用于安装传感光缆。
将传感光缆在内管体表面绕制成螺旋状结构，再将绕有传感光缆的内管体嵌入外管体内，内外管体长度可以根据实际工程中的需要自行设计，长度要保持一致，且内管体直径小于外管体直径。外管体两端分别用护盖盖住，目的在于对外管体内部空间进行隔离。护盖中心下方设有穿孔，位于内管体两端的传感光缆外部分别加装有保护套管，保护套管通过护盖孔穿出外管体两端的护盖，用于保护穿出外管体的传感光缆。
优选地，所述保护套管选用橡胶管；保护套管长度为5-10cm。
优选地，所述内管体选用ppr管，所述外管体选用pvc管；内管体直径比外管体直径小2-3cm。
所述在内管体表面预设一条螺旋状的滑动轨道，用于安装传感光缆，包括以下两种方式：通过在内管体表面固定若干个一定大小的定位卡具，使传感光缆可以在定位卡具内自由穿梭但又不会在内管体表面横向滑动；或者，在内管体表面打磨一条光滑的螺旋状凹槽，使传感光缆在拉伸时只会沿着凹槽预设的方向滑动，不会沿着内管体表面横向滑动。
大型土木工程如公路养护、边坡监测、以及隧道、桥梁、水利枢纽工程中，由于外部荷载或者环境的作用，结构体会发生不同程度的变形，因此，在工程上需要对结构体进行监测，所述结构体即为被测对象。实际应用时，将本发明装置安装于结构体中。
根据应力传导方式，本发明装置的光缆预应力设置方案可以有两种，分别对应两种不同的外管体端部连接方式：
其一，外管体两端的护盖和保护套管在护盖孔处都不固定，分别用夹具紧贴护盖外侧卡住保护套管及其内部的传感光缆，传感光缆、保护套管和夹具可以同步向外管体外拉伸，但无法向外管体内收缩，这样就可以为外管体内部的传感光缆施加一个预应力。当一根传感光缆上串联多个本装置使用时，结构体的应变会传递到与之相邻的两段装置的外管体中的传感光缆上。
其二，外管体一端的护盖和保护套管在护盖孔处固定在一起，再使用夹具紧贴护盖外侧卡住保护套管及其内部的传感光缆，使传感光缆与外管体不产生相对滑动；外管体另一端的护盖和保护套管在护盖孔处不固定，同样使用夹具紧贴护盖外侧卡住保护套管及其内部的传感光缆，传感光缆、保护套管和夹具可以同步向外管体外拉伸，但无法向外管体内收缩，这样就可以为外管体内部的传感光缆施加一个预应力。在制作过程中，保留保护套管未固定端的夹具可以防止传感光缆在内管体表面的螺旋轨道上松散。在施工过程中，由于外管体和结构体固定在一起，保护套管未固定端的夹具可以去掉，也可以保留。去掉保护套管未固定端的夹具后，根据结构体的变形方向，传感光缆可以向外管体外拉伸，也可以向外管体内收缩，可以测量不同方向的应变；保留保护套管未固定端的夹具后，只能测量向外管体外拉伸的应变，但保证了外管体内结构的完整性。当一根传感光缆上串联多个本装置使用时，结构体的应变仅会传递到相应的一段装置的外管体中的传感光缆上。
一根传感光缆上可以串联多个相同的本发明装置。内管体表面传感光缆绕制的圈数可根据实际需求进行设置。每段管体的长度、直径、管壁厚度可根据需要的量程、空间分辨率以及工程需求进行调整，各个串联管体的长度可相同也可不同。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
(1)本发明采用各段管体保护传感光缆，并且管体与管体之间穿出的一小段光缆都由保护套管保护，避免了在实际工程中光缆直接暴露在结构体中容易损坏的风险。
(2)本发明通过螺旋状绕制结构把光缆原本能承受拉力-应变的量程扩大了数倍，使传感光缆在实际工程中的测量范围和使用寿命都大大的提高。
(3)本发明分别通过两种应力传导方式，在产生拉力时，只有一段管体或者相邻两段管体内的光缆产生应变，从而将被测对象极短距离上的应变传导到较长的传感光缆长度上，提高了对应变事件的测量精度。
(4)本发明可在施工时方便、可靠的保持光缆的预应力。
(5)本发明结构简单且制作成本低。
附图说明
图1是本发明装置示意图；
图2是本发明装置局部结构图；
图3是本发明装置实施例一示意图；
图4是本发明装置实施例二示意图；
图5是本发明装置内部空间实物图；
图6是本发明装置串联使用示意图；
图7是本发明现场实验测得的结果图；
图8是本发明现场实验测得的结果局部放大图；
其中，1-保护套管一，2-夹具一，3-穿孔一，4-护盖一，5-外管体，6-内管体，7-定位卡具，8-传感光缆，9-护盖二，10-穿孔二，11-夹具二，12-保护套管二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
结合实际土木工程中的边坡监测为例进行说明。由于边坡上的框架梁具有与边坡结合牢固、便于网格化布设的优势，可以成为布设光缆的有效依托。但框架梁为一个整体的固态结构，将光缆直接浇筑在其中时，一般光纤可承受的最大应变在1％到2％之间，超过这个限度，光缆极容易被拉断。
本发明的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，如图1所示，包括内管体6，外管体5，护盖一4、护盖二9，定位卡具7，保护套管一1、保护套管二12，夹具一2、夹具二11，传感光缆8。所述内管体直径为40mm，长度为0.5m；所述外管体直径为59mm，长度为0.5m。所述保护套管一1、保护套管二12选用橡胶管。所述内管体6选用ppr管，所述外管体5选用pvc管。
将传感光缆8在内管体6表面绕制成螺旋状结构，再将绕有传感光缆8的内管体6嵌入外管体5内，外管体5两端分别用护盖一4、护盖二9盖住，目的在于对外管体5内部空间进行隔离。护盖一4、护盖二9中心下方设有穿孔一3、穿孔二10，位于内管体6两端的传感光缆8外部加装有保护套管一1、保护套管二12，保护套管一1、保护套管二12分别通过穿孔一3、穿孔二10穿出外管体5两端的护盖一4、护盖二9，用于保护穿出外管体5的传感光缆8。
通过在内管体6表面固定9个定位卡具7，给传感光缆8预设一条螺旋状的滑动轨道。每一个定位卡具7长度为2cm，高度为8mm，可以使传感光缆8在定位卡具7内自由穿梭但又不会在内管体6表面横向滑动。传感光缆8穿过定位卡具7螺旋绕制在内管体6表面，一共绕制9圈，使绕制的传感光缆8长度是内管体6长度的3倍。
根据应力传导方式，本发明装置的光缆预应力设置方案可以有两种，分别对应两种不同的外管体端部连接方式，外管体端部的局部放大图如图2所示，具体实施如下：
实施例一，保护套管一1、保护套管二12和护盖一4、护盖二9在穿孔一3、穿孔二10处都不固定，分别用夹具一2、夹具二11紧贴护盖一4、护盖二9外侧卡住保护套管一1、保护套管二12及其内部的传感光缆8；传感光缆8、保护套管一1和夹具一2可以同步向外管体5外拉伸，但无法向外管体5内收缩，传感光缆8、保护套管二12和夹具二11可以同步向外管体5外拉伸，但无法向外管体5内收缩，这样就可以为外管体5内部的传感光缆8施加一个预应力。
如图3所示，当一根传感光缆上串联多个本实施例装置使用时，假设在任意相邻的两段装置A、B之间存在应变事件点C，应变事件为坡体拉伸变形事件，由于装置A、B两端夹具、保护套管和传感光缆的同步活动性，坡体应变将会且仅会传递到装置A和装置B中的传感光缆上。
实施例二，保护套管二12从外管体5一端的护盖二9上的穿孔二10穿出，护盖二9和保护套管二12在穿孔二10处用环氧树脂胶固定，再使用夹具二11紧贴护盖二9外侧夹住保护套管二12及其内部的传感光缆8，使传感光缆8与外管体5不产生相对滑动。护盖一4和保护套管一1在穿孔一3处不固定，使用夹具一2紧贴护盖一4外侧夹住保护套管一1及其内部的传感光缆8，传感光缆8、保护套管一1和夹具一2可以同步向外管体5外拉伸，但无法向外管体5内收缩，这样就可以为外管体5内部的传感光缆8施加一个预应力。在制作过程中，保留夹具一2可以防止传感光缆8在内管体6表面的螺旋轨道上松散。在施工过程中，由于外管体5和边坡框架梁浇筑在一起，夹具一2可以去掉，也可以保留。去掉夹具一2后，根据框架梁的变形方向，传感光缆8可以向外管体5外拉伸，也可以向外管体5内收缩，可以测量不同方向的应变；保留夹具一2后，只可测量向外管体5外拉伸的应变，但保证了外管体5内结构的完整性。
如图4所示，当一根传感光缆上串联多个相同的本实施例装置时，设任意相邻连接的两段装置A、B，装置A、B右端的传感光缆都被固定住，即传感光缆与外管体不产生相对滑动；装置A、B左端的传感光缆、保护套管和夹具可同步活动，即可以同步向外管体外拉伸，但无法向外管体内收缩；假设在装置A、B之间存在应变事件点C，应变事件为坡体拉伸变形事件，由于装置A右端的传感光缆与外管体不产生相对滑动，装置B左端的夹具、保护套管和传感光缆可同步活动，坡体应变将会且仅会传递到装置B中的传感光缆上。
图5展示了管体内部空间的结构。图6展示了根据实施例二制作出的螺旋结构装置Ea、Eb、Ec串联实物图，每段装置右端的传感光缆都被固定住，左端的传感光缆可以自由活动。
一种基于分布式光纤传感的螺旋结构装置的高速公路边坡监测方法，包括以下步骤：
(1)根据实施例二制作出一根传感光缆上串联的三段螺旋结构装置Ea、Eb、Ec；
(2)将三段串联的螺旋结构装置通过光缆接续盒接入BOTDR***中；
(3)选择一段坡体并在该段坡体上选择一个位置，在该位置处设置一条长为l、深度为h的沟缝；本方法实施例中，坡体长度L＝1000m，所选择的位置为坡体500m处，沟缝长度l＝2m、沟缝深度h＝30cm；
(4)将三段串联的螺旋结构装置放置于沟缝中，并填土掩埋压实；
(5)在掩埋Ec段装置的土体上施加外部荷载，土体表面产生位移，对Eb、Ec段装置间的传感光缆产生拉伸，应力传导至Ec段装置中的传感光缆内部光纤上并产生应变；
(6)由于步骤(5)所述应变既可以通过弹光效应改变光纤的折射率，也可以通过杨氏模量、泊松比和光纤密度改变光纤中的声速；光纤中的声速υa表示如下：
其中，Y是杨氏模量，κ是泊松比，ρ是光纤的密度；
根据光纤中的声速得到光纤中布里渊谱频移vB，即：
其中，n为光纤的折射率，v为泵浦光频率，c为真空中的光速；
通过步骤(5)所述Ec段装置的光纤中布里渊谱频移的偏移量△vB计算该段装置中光纤产生的应变值ε，公式如下：
△vB＝(△nε+△Yε+△κε+△ρε)vB(T0,0)ε
其中，vB(T0,0)为未施加应变条件下布里渊谱频移量，T0表示常温，0表示无应变；△Yε、△κε、△ρε、△nε分别为杨氏模量Y、泊松比κ、光纤的密度ρ、光纤的折射率n在ε＝0处做泰勒展开的一次项；最终根据应变值ε反演得到外部荷载事件发生处坡体的应变状态。
图7和图8展示了通过本发明实施例二设计的传感光缆装置，使用上述测试方法测试的结果，可以明显的看出在500m处有外部荷载产生。
以上所述仅是本发明的部分实施方案，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其他的改进，这些改进也应视为本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：该装置包括内管体(6)，外管体(5)，护盖一(4)、护盖二(9)，保护套管一(1)、保护套管二(12)，夹具一(2)、夹具二(11)，传感光缆(8)；内外管体长度保持一致，且内管体(6)直径小于外管体(5)直径；在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，用于安装传感光缆(8)；将传感光缆(8)在内管体(6)表面绕制成螺旋状结构，再将绕有传感光缆(8)的内管体(6)嵌入外管体(5)内，外管体(5)两端分别用护盖一(4)、护盖二(9)盖住；护盖一(4)、护盖二(9)中心下方设有穿孔一(3)、穿孔二(10)；位于内管体(6)两端的传感光缆(8)外部加装有保护套管一(1)、保护套管二(12)，保护套管一(1)、保护套管二(12)分别通过穿孔一(3)、穿孔二(10)穿出外管体(5)两端的护盖一(4)、护盖二(9)；
护盖二(9)和保护套管二(12)在穿孔二(10)处固定，使用夹具二(11)紧贴护盖二(9)外侧夹住保护套管二(12)及其内部的传感光缆(8)，使传感光缆(8)与外管体(5)不产生相对滑动；护盖一(4)和保护套管一(1)在穿孔一(3)处不固定，使用夹具一(2)紧贴护盖一(4)外侧夹住保护套管一(1)及其内部的传感光缆(8)，传感光缆(8)、保护套管一(1)和夹具一(2)同步向外管体(5)外拉伸，但无法向外管体(5)内收缩。
2.根据权利要求1所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，是通过在内管体(6)表面固定若干个定位卡具(7)，给传感光缆(8)预设一条螺旋状的滑动轨道；每一个定位卡具(7)使传感光缆(8)在定位卡具(7)内自由穿梭但又不会在内管体(6)表面横向滑动；传感光缆(8)穿过定位卡具(7)螺旋绕制在内管体(6)表面。
3.根据权利要求1所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，是指在内管体(6)表面打磨一条光滑的螺旋状凹槽，使传感光缆(8)在拉伸时只会沿着凹槽预设的方向滑动，不会沿着内管体(6)表面横向滑动。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述保护套管一(1)、保护套管二(12)选用橡胶管；所述内管体(6)选用ppr管，所述外管体(5)选用pvc管；所述护盖二(9)和保护套管二(12)在穿孔二(10)处用环氧树脂胶固定。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：当去掉夹具一(2)时，传感光缆(8)根据不同的变形方向，向外管体(5)外拉伸，或者向外管体(5)内收缩，测量不同方向的应变。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：一根传感光缆上串联多个相同的本装置；内管体(6)表面传感光缆(8)绕制的圈数根据实际需求进行设置；每段管体的长度、直径、管壁厚度根据需要的量程、空间分辨率以及工程需求进行调整。
7.一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：该装置包括内管体(6)，外管体(5)，护盖一(4)、护盖二(9)，保护套管一(1)、保护套管二(12)，夹具一(2)、夹具二(11)，传感光缆(8)；内外管体长度保持一致，且内管体(6)直径小于外管体(5)直径；在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，用于安装传感光缆(8)；将传感光缆(8)在内管体(6)表面绕制成螺旋状结构，再将绕有传感光缆(8)的内管体(6)嵌入外管体(5)内，外管体(5)两端分别用护盖一(4)、护盖二(9)盖住；护盖一(4)、护盖二(9)中心下方设有穿孔一(3)、穿孔二(10)；位于内管体(6)两端的传感光缆(8)外部加装有保护套管一(1)、保护套管二(12)，保护套管一(1)、保护套管二(12)分别通过穿孔一(3)、穿孔二(10)穿出外管体(5)两端的护盖一(4)、护盖二(9)；
保护套管一(1)、保护套管二(12)和护盖一(4)、护盖二(9)在穿孔一(3)、穿孔二(10)处不固定，分别用夹具一(2)、夹具二(11)紧贴护盖一(4)、护盖二(9)外侧卡住保护套管一(1)、保护套管二(12)及其内部的传感光缆(8)，传感光缆(8)、保护套管一(1)和夹具一(2)同步向外管体(5)外拉伸，但无法向外管体(5)内收缩；传感光缆(8)、保护套管二(12)和夹具二(11)同步向外管体(5)外拉伸，但无法向外管体(5)内收缩。
8.根据权利要求7所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，是通过在内管体(6)表面固定若干个定位卡具(7)，给传感光缆(8)预设一条螺旋状的滑动轨道；每一个定位卡具(7)使传感光缆(8)在定位卡具(7)内自由穿梭但又不会在内管体(6)表面横向滑动；传感光缆(8)穿过定位卡具(7)螺旋绕制在内管体(6)表面。
9.根据权利要求7所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述在内管体(6)表面预设一条螺旋状的滑动轨道，是指在内管体(6)表面打磨一条光滑的螺旋状凹槽，使传感光缆(8)在拉伸时只会沿着凹槽预设的方向滑动，不会沿着内管体(6)表面横向滑动。
10.根据权利要求7-9任一所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：所述保护套管一(1)、保护套管二(12)选用橡胶管；所述内管体(6)选用ppr管，所述外管体(5)选用pvc管。
11.根据权利要求7-9任一所述的一种用于土木工程中分布式光纤传感的螺旋结构装置，其特征在于：一根传感光缆上串联多个相同的本装置；内管体(6)表面传感光缆(8)绕制的圈数根据实际需求进行设置；每段管体的长度、直径、管壁厚度根据需要的量程、空间分辨率以及工程需求进行调整。
12.根据权利要求1-3任一所述装置实现的一种高速公路边坡监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)制作出一根传感光缆上串联的三段螺旋结构装置Ea、Eb、Ec；
(2)将三段串联的螺旋结构装置通过光缆接续盒接入BOTDR***中；
(3)选择一段坡体并在该段坡体上选择一个位置，在该位置处设置一条长为l、深度为h的沟缝；
(4)将三段串联的螺旋结构装置放置于沟缝中，并填土掩埋压实；
(5)在掩埋Ec段装置的土体上施加外部荷载，土体表面产生位移，对Eb、Ec段装置间的传感光缆产生拉伸，应力传导至Ec段装置中的传感光缆内部光纤上并产生应变；
(6)步骤(5)所述应变通过杨氏模量、泊松比和光纤密度改变光纤中的声速；光纤中的声速υa表示如下：
其中，Y是杨氏模量，κ是泊松比，ρ是光纤的密度；
根据光纤中的声速得到光纤中布里渊谱频移vB，即：
其中，n为光纤的折射率，v为泵浦光频率，c为真空中的光速；
通过步骤(5)所述Ec段装置的光纤中布里渊谱频移的偏移量△vB计算该段装置中光纤产生的应变值ε，公式如下：
△vB＝(△nε+△Yε+△κε+△ρε)vB(T0,0)ε
其中，vB(T0,0)为未施加应变条件下布里渊谱频移量，T0表示常温，0表示无应变；△Yε、△κε、△ρε、△nε分别为杨氏模量Y、泊松比κ、光纤的密度ρ、光纤的折射率n在ε＝0处做泰勒展开的一次项；最终根据应变值ε反演得到外部荷载事件发生处坡体的应变状态。
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