專利名稱：冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)領(lǐng)域，具休涉及一種冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。
(二)
背景技術(shù)：
冰作為水的一種固態(tài)形式，是自然界存在的一種現(xiàn)象，隨著嚴(yán)寒地區(qū)海洋資源的開發(fā)和 利用，橋梁、港口等水工建筑的興建以及各種巨型冰雪建筑的興建，在多變的氣候下冰對(duì)這 些結(jié)構(gòu)的作用以及冰自身特性的變化是影響這些結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全性、可靠性的重要因素。1912 年，泰坦尼克號(hào)與冰山相撞沉于海底，造成1500人死亡；1962-1963年美國(guó)阿拉斯加克灣的 兩座海洋石油平臺(tái)被冰推到；1969年，中國(guó)渤海石油公司的"海二井和海四井"平臺(tái)在海冰的 作用被推到；1991年春，美國(guó)緬因州的一座鋼筋混凝土大橋被流冰撞擊搗毀；2008年初，一 場(chǎng)特大冰凍災(zāi)害波及近半個(gè)中國(guó)，造成上萬(wàn)億的經(jīng)濟(jì)損失。宏觀上看冰的成分比較單一，但 是其力學(xué)性能比較特殊，受分子中氫鍵的脆弱程度和晶構(gòu)幾何特性的影響，同吋具有彈性、 塑性、流變性和各項(xiàng)異性。同吋其力學(xué)性能受多種因素的影響，如溫度、荷載作用速率等， 如在不同速率的作用下，冰表現(xiàn)出不同的破壞特征，而且在與不同的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生作用吋， 冰的破壞形式也不盡相同。ttl于冰形成條件(低溫)以及組成成分(水)的特殊性，以致傳 統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段(如電測(cè)，GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù))難以對(duì)冰結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行長(zhǎng)期可靠的監(jiān)測(cè)。
光纖傳感技術(shù)作為現(xiàn)代通信的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展而逐歩發(fā)展起來的一 門新技術(shù)，具有抗電磁場(chǎng)干擾、耐潮濕、傳輸距離長(zhǎng)以及絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，尤其是局部高精 度光纖光柵傳感和分布式布里淵光纖傳感技術(shù)在航空航天、土木工程、復(fù)合材料等領(lǐng)域得到 大量的研究和應(yīng)用，為特殊結(jié)構(gòu)冰荷載和冰結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)。已有的研究表明， 光纖在一5(TC低溫環(huán)境下對(duì)溫度和應(yīng)變能保持良好的線性度與穩(wěn)定性，且光纖與冰結(jié)構(gòu)可以 天然結(jié)合，布設(shè)非常方便，此外，大跨度、耐潮濕、分布式等技術(shù)特征，非常適于冰結(jié)構(gòu)進(jìn) 行監(jiān)測(cè)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、成本低、可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性和耐久性好、 傳感器布設(shè)方便可靠等優(yōu)點(diǎn)的冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的將普通裸光纖或FRP-OFBG智能筋和寫入若干個(gè)光柵的光 纖傳感探頭，埋入冰結(jié)構(gòu)，形成可以獲取信息的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；在待監(jiān)測(cè)的冰結(jié)構(gòu)的部件上布設(shè)寫入至少一個(gè)光纖光柵的長(zhǎng)通信單模光纖或經(jīng)過FRP封裝的FRP-OFBG共線傳感探頭， 通過布里淵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)沿傳感探頭位置的應(yīng)變進(jìn)行全尺度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷定位和較 低精度測(cè)量，同時(shí)通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵位置高精度準(zhǔn)確定量測(cè)量。 本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的傳感探頭選取FRP — OFBG探頭；
2、 所述的光纖傳感器與冰結(jié)構(gòu)直接用水粘貼。
本發(fā)明是一套冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，即針對(duì)冰結(jié)構(gòu)的特殊性，如服役環(huán)境惡劣、 服役周期受溫度影響制約、結(jié)構(gòu)組成的特殊性，其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)傳感器必須滿足長(zhǎng)期耐久性、絕 對(duì)測(cè)量、分布式(或準(zhǔn)分布式)等特征的要求，提出將光纖布里淵全尺度傳感技術(shù)和準(zhǔn)分布 式高精度光纖布拉格光柵測(cè)試技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建單項(xiàng)或全尺度分布式和局部高精度共線技術(shù)對(duì)
冰結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的在監(jiān)測(cè)對(duì)象(冰結(jié)構(gòu)或承受冰荷載結(jié)構(gòu))的表
面或內(nèi)部布設(shè)含光柵的光纖傳感器，光纖光柵位置與結(jié)構(gòu)的易損點(diǎn)或受力最不利位置對(duì)應(yīng)， 通過布里淵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)沿傳感探頭位置的應(yīng)變進(jìn)行全尺度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷定位和較 低精度定量。同時(shí)，通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵位置高精度準(zhǔn)確定量測(cè)量，從而可以把握 結(jié)構(gòu)損傷的大規(guī)模、全尺度的整體損傷信息，并對(duì)局部關(guān)鍵點(diǎn)準(zhǔn)確掌握，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)定提 供直接、可靠的信息。
本發(fā)明包括以下主要特點(diǎn)1)采用局部高精度光纖光柵傳感器和大規(guī)模全尺度光纖布里 淵傳感器共線技術(shù)，該監(jiān)測(cè)技術(shù)解決了傳統(tǒng)的高精度單點(diǎn)或準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵監(jiān)測(cè)手 段難以勝任量大面廣的工程要求和全尺度布里淵應(yīng)變測(cè)試技術(shù)還存在精度、系統(tǒng)昂貴、采樣 頻率低等缺點(diǎn)；2)采用寫入一根或若干根光纖光柵的光纖作為傳感探頭，光纖傳感器具有纖 細(xì)輕柔、體積小、耐潮濕、傳輸距離長(zhǎng)以及絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，布設(shè)在冰結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單方便，與 結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形能力好；3)采用基于普通光纖或適于惡劣環(huán)境的纖維增強(qiáng)塑料封裝的 FRP-OFBG智能筋作為其傳感探頭，適合大型冰結(jié)構(gòu)或承受冰荷載的結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；4)光 纖光柵與布里淵應(yīng)變感知的溫度互補(bǔ)償技術(shù)，解決了光纖光柵與布里淵共線技術(shù)中絕對(duì)溫度 補(bǔ)償技術(shù)成本高、不易布設(shè)等問題，大大節(jié)約了基于共線技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感與傳輸線路極 其布設(shè)成本，適于實(shí)際工程應(yīng)用；5)串聯(lián)復(fù)用多個(gè)光纖光柵，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量，光纖 光柵中心波長(zhǎng)相差l-2nm。
本發(fā)明包括冰結(jié)構(gòu)的光纖布里淵全尺度測(cè)試和局部高精度光纖光柵測(cè)試技術(shù)。本發(fā)明提 供的是基于布里淵分布式傳感技術(shù)和局部高精度光纖光柵技術(shù)單項(xiàng)或共線的冰結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè) 方法與技術(shù)。該技術(shù)方法基于光纖傳感探頭耐潮濕，傳感距離長(zhǎng)以及低溫環(huán)境下良好的線性度和重復(fù)性以及全分布式絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，將一根寫入若干個(gè)光纖光柵的光纖傳感探頭或基 于纖維增強(qiáng)塑料封裝的FRP-OFBG智能筋布設(shè)在冰結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的大規(guī)模、全分布、 局部高精度測(cè)試，為冰結(jié)構(gòu)安全評(píng)定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特別適用于冰結(jié) 構(gòu)或承受冰荷載的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、成本低、可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性和耐久性好、 傳感器布設(shè)方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。
(四)


圖1為基于全尺度分布式和局部高精度共線的冰結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖； 圖2為冰標(biāo)準(zhǔn)件傳感器布設(shè)示意圖3為基于光纖傳感測(cè)試技術(shù)的冰構(gòu)件傳感器布設(shè)示意圖； 圖4為冰結(jié)構(gòu)光纖傳感器布設(shè)工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩的說明
圖l —圖4中1-鎧裝傳輸跳線，2-光纖光柵傳感器，3-光纖或FRP-OFBG智能筋，4-待 測(cè)對(duì)象，5-光纖光柵與布里淵共線系統(tǒng)，6-冰結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)試件，7-冰梁結(jié)構(gòu)。
結(jié)合圖1 ，將共線傳感探頭光纖光柵2或FRP-OFBG智能筋3布設(shè)到待測(cè)試結(jié)構(gòu)4上， 并將光纖光柵位置與結(jié)構(gòu)易損位置相對(duì)應(yīng)，通過光纖光柵和布里淵共線測(cè)量系統(tǒng)5對(duì)結(jié)構(gòu)沿 傳感探頭位置的應(yīng)變進(jìn)行全尺度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷定位和較低精度定量，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)易損 位置高精度準(zhǔn)確定量測(cè)量。
結(jié)合圖2，基于國(guó)際水利學(xué)會(huì)(IAHR)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)冰標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)抗拉壓試驗(yàn)，光纖光 柵粘貼在構(gòu)件的對(duì)稱面，防止偏載；結(jié)合圖3，光纖光柵的位置與結(jié)構(gòu)的易損點(diǎn)或彎矩最大 位置處對(duì)應(yīng)，如冰梁；
結(jié)合圖4，光纖傳感器的布設(shè)工藝流程為清理修整待測(cè)試結(jié)構(gòu)傳感器布設(shè)位置；沿傳 感器布設(shè)位置丌深度約5mm左右的細(xì)槽；將光柵與待測(cè)對(duì)象的易損點(diǎn)對(duì)應(yīng)；澆水粘貼光纖傳 感器；冷卻凍結(jié)。實(shí)際工程應(yīng)用的時(shí)候，根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的待監(jiān)測(cè)位置，定制相應(yīng)的寫有若干 個(gè)光纖光柵的光纖，確保光柵的位置與結(jié)構(gòu)的易損點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)相差 l-2nm，避免受力時(shí)，波長(zhǎng)互相疊加；光纖傳感器布設(shè)在結(jié)構(gòu)表面時(shí)，開槽深度約5mm， 一 是保證光纖傳感器與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，二是避免環(huán)境溫度變化過大，由于冰的消融，導(dǎo)致光纖 傳感器布設(shè)不深而與結(jié)構(gòu)脫離，過早的失去功效。
本實(shí)施例中布里淵光纖與光纖光柵構(gòu)建共線系統(tǒng)的具體構(gòu)建過程采用專利技術(shù)《全尺度 分布式與高精度共線的光纖傳感方法》的方法，專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810064168.3。
權(quán)利要求
1、一種冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法，其特征在于將普通裸光纖或FRP-OFBG智能筋和寫入若干個(gè)光柵的光纖傳感探頭，埋入冰結(jié)構(gòu)，形成可以獲取信息的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；在待監(jiān)測(cè)的冰結(jié)構(gòu)的部件上布設(shè)寫入至少一個(gè)光纖光柵的長(zhǎng)通信單模光纖或經(jīng)過FRP封裝的FRP-OFBG共線傳感探頭，通過布里淵測(cè)量系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)沿傳感探頭位置的應(yīng)變進(jìn)行全尺度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷定位和較低精度測(cè)量，同時(shí)通過光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵位置高精度準(zhǔn)確定量測(cè)量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的傳感探頭選取 FRP —OFBG探頭。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的光纖傳感器與 冰結(jié)構(gòu)直接用水粘貼。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種冰結(jié)構(gòu)的光纖智能監(jiān)測(cè)方法。本發(fā)明提供的是基于布里淵分布式傳感技術(shù)和局部高精度光纖光柵技術(shù)單項(xiàng)或共線的冰結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)。該技術(shù)方法基于光纖傳感探頭耐潮濕，傳感距離長(zhǎng)以及低溫環(huán)境下良好的線性度和重復(fù)性以及全分布式絕對(duì)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，將一根寫入若干個(gè)光纖光柵的光纖傳感探頭或基于纖維增強(qiáng)塑料封裝的FRP-OFBG智能筋布設(shè)在冰結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的大規(guī)模、全分布、局部高精度測(cè)試，為冰結(jié)構(gòu)安全評(píng)定提供全面、直接、可靠的信息。本方法特別適用于冰結(jié)構(gòu)或承受冰荷載的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、成本低、可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性和耐久性好、傳感器布設(shè)方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/88GK101435780SQ20081020968
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者鵬 任, 何建平, 明 吳, 智 周, 宋曉旭, 磊 張, 李麒麟, 蔣中國(guó) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)