錨索長期工作狀態監測裝置及其方法

2023-12-02 11:26:31

專利名稱：錨索長期工作狀態監測裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種預應力筋長期工作狀態監測裝置及其方法，特別是一種帶光纖傳感器的錨索長期工作狀態監測裝置及其方法。
背景技術：
近年來預應力錨索廣泛應用於水利、水電、建築、交通、地下洞室圍巖加固、邊坡工程加固等工程中。由於錨固工程是一項複雜的的隱蔽工程，在使用過程中，預應力將伴隨巖體中的溫度、巖體蠕變、鋼絞線松馳及地下水等因素的變化而變化。對預應力錨索錨固機理的研究，主要採用電阻應變片測量不同位置鋼絞線的應變，對錨索的長期監測仍沿用在錨固端安裝測力環的辦法。這兩種測量手段無法全面了解錨索鋼絞線的應力分布狀態，長期監測穩定性效果差，靈敏度低，產生這種問題的原因是，一方面由於與錨索直接聯繫的對象是複雜多變的巖土體，錨索埋在巖土體中，工作條件十分惡劣，對傳感器的防水、防潮、防腐要求高。這給錨索的監測和研究帶來很大的困難，也直接影響了儀器的可靠性和使用壽命。近年來，也出現一些錨索長期工作狀態的監測裝置，如光纖光柵錨索長期工作狀態的監測裝置及方法(專利號02138980.2)即是其中之一，它在被監測的錨索中置入含光柵的光纖，準分布的多個光纖光柵分別感受錨索鋼絞線沿線分布各點的應力應變，使其反射光的波長發生改變，改變的反射光經傳輸光纖從測量現場傳出，通過光纖光柵解調器探測其波長改變量的大小，並將之轉換成電信號，送至二次儀表，由二次儀表計算出錨索準分布的各個測點的應力應變的大小及整個錨索分布狀態，含光柵的光纖分別粘貼或焊接在錨索鋼絞線的鋼絲內預置的小槽內或粘貼或焊接在錨索鋼絞線的鋼絲內外，這種監測方法及其設備的不足在於1、同一根錨索準分布多個光纖光柵的光柵數目受到光源譜線寬度的限制，難以全面反映整個錨索的應力分布狀況，且光柵的刻製成本較高；2、光柵光纖(含光柵的光纖)布置在鋼絲的凹槽內雖然可以保護光纖的正常工作，但卻損傷了鋼絲，降低了錨索的整體受力性能，影響了錨索的長期工作性能和使用壽命。此外，光柵光纖預置在中心絲的小槽內，操作起來也不夠方便；3、光柵光纖粘貼或焊接在鋼絲表面雖然安裝比預置在中心絲的小槽內方便些，但製作光柵時，需去掉光纖的被覆層，這樣光柵處就很脆弱，容易損壞影響其正常工作；4、光柵光纖到檢測時臨時埋入、既不準確、也不夠方便。
歸結起來，就是沒有有效的措施將光柵光纖合理、完好地埋入巖土工程的錨索中，因而，光柵光纖的使用壽命及其對錨索性能測量的準確度會受到影響。

發明內容
本發明要解決的技術問題是在上述光纖光柵錨索長期工作狀態的監測裝置及方法中沒有有效的措施將光纖合理、完好地埋入巖土錨索中以及同一根錨索準分布多個光纖光柵因其光柵數目受到光源譜線寬度的限制，難以全面反映整個錨索的應力分布狀況，且光柵的刻製成本較高的問題；提供一種錨索長期工作狀態監測裝置及其方法，該裝置和方法可對錨索進行長期、穩定的跟蹤檢測，準確全面反映整個錨索的應力分布狀況；作為光纖傳感系統的光纖或光纖光纜內嵌在鋼絞線的中心絲與側絲的間隙之間或置於鋼絲索內鋼絲間隙之間，不受剪力作用，不易損傷或損壞，不受施工環境的制約。
解決其上述技術問題的技術方案是一種錨索長期工作狀態監測裝置，包括光纖傳感系統及與之相連的傳輸光纖、二次儀表，其特徵在於所述的光纖傳感系統是由置入被監測錨索中的光纖或光纖光纜構成的分布式光纖傳感系統，所述的二次儀表是採用OTDR光時域反射儀，所述的分布式光纖傳感系統與傳輸光纖相連，傳輸光纖通過光開關與二次儀表——光時域反射儀連接，所述的分布式光纖傳感系統可以是光纖或單芯光纖光纜構成的內嵌式光纖光纜傳感系統或由單芯光纖光纜構成的外置式光纖光纜傳感系統。
當所述的分布式光纖傳感系統為內嵌式光纖光纜傳感系統時，該光纖或光纖光纜被粘貼在鋼絞線的中心絲與側絲的間隙之間或粘貼在一束鋼絲索內的鋼絲間隙間，與鋼絞線或鋼絲索具有相同的旋向和捻距；當所述的分布式光纖傳感系統為外置式光纖光纜傳感系統時，該光纖光纜被粘貼在鋼絞線或鋼絲索外，光纖光纜可以與鋼絞線或鋼絲索的鋼絲具有相同的旋向也可以與鋼絲具有相反的旋向，光纖光纜通過錨杯上的透氣孔引出錨索，接入傳輸光纖並與光時域反射儀相連。
作為本發明錨索長期工作狀態監測裝置的又一種變換，所述的內嵌式光纖光纜傳感系統的光纖光纜的引出段外還套有內徑大於光纖光纜的保護鋼管。
一種錨索長期工作狀態監測方法，他包括以下步驟A、安放光纖傳感系統及連接光纖錨索長期工作狀態監測裝置1)、將光纖或光纖光纜置入被監測錨索中構成含分布式光纖傳感系統的智能光纖錨索；2)、將智能光纖錨索的光纖傳感系統與傳輸光纖以及二次儀表——光時域反射儀連接；B、調製、傳送窄脈衝光波從光時域反射儀的雷射光源調製一個窄脈衝光波，並通過耦合器導入傳輸光纖，並傳送到智能光纖錨索中分布式光纖傳感系統中的光纖；C、收集傳感系統反饋信息智能光纖錨索分布式光纖傳感系統分別感受光窄脈衝在光纖內傳輸時、由於光纖內部的不均勻產生瑞利散射及反射光，並經耦合器、光放大探測器進入OTDR信號處理系統；E、分析處理傳感系統傳回的「信息」二次儀表——光時域反射儀的OTDR信號處理系統對分布式光纖傳感系統傳回的「信息」進行分析、判斷，從而得到光纖埋設處錨索的受力、損傷情況，並在液晶顯示屏上給出光纖沿線損耗的大小及位置。
作為本發明錨索長期工作狀態監測裝置的一種變換，所述的光纖錨索長期工作狀態監測裝置中的二次儀表可以不用光時域反射儀而用光功率計替換，這種替換僅對於短距離的光纖錨索，或在系統要求不太高的情況下使用。
本發明光纖錨索長期工作狀態監測裝置及其方法是在被監測的錨索中置入光纖或光纖光纜，形成一個分布式的光纖傳感系統，當錨索因受力而變形時，傳感光纖感受錨索的應力應變，使沿光纖傳輸的散射光和反射光的強度發生變化，改變的散射和反射光經傳輸光纖傳至二次儀表——光時域反射儀(OTDR)，當光纖某處受力，存在接頭、損傷，那麼該處反射光的強度較高，反過來，可根據光信號結果來判斷光纖埋設處錨索的受力、損傷情況，這是一種分布式的測量方式。它與背景技術所述現有光纖光柵錨索長期工作狀態的監測方法及裝置相比，具有以下有益效果1、能準確全面反映整個錨索的應力分布狀況；
傳統的點式的測量方法，由於布點的隨意性，最危險的地方可能被漏檢，增加檢測點數，雖然提高了結果的可靠性，但工作量大為增加。而本方案的光纖傳感檢測系統為分布式的檢測系統，整根索內的光纖均為傳感光纖，當錨索受力變形時，傳感光纖感受錨索的應力應變，從而全面反映錨索的受力狀態。
2、作為光纖傳感系統的光纖或光纖光纜內嵌在鋼絞線的中心絲與側絲的間隙之間或置於鋼絲索內鋼絲間隙之間，不受剪力作用，不易損傷或損壞，不受施工環境的制約；外置式又因為光纖不需要去掉保護層刻光柵，所以不易損壞。
3、本發明之錨索長期工作狀態監測裝置中二次儀表採用光時域反射儀——簡稱OTDR，置入錨索內作為傳感系統的光纖為普通的通信光纖，無需做任何處理，利於傳感系統的放入，也可提前製作含有光纖或光纖光纜傳感系統的錨索索體，光時域反射儀通過光開關與傳輸光纖連接，可以任意選擇要監測的錨索中的光纖，操作方便。
該OTDR光時域反射儀測量光纖損耗的原理與雷達探測原理相似首先用脈衝發生器調製一個光源使光源產生窄脈衝光波，經光學系統耦入光纖，這個光窄脈衝在光纖內傳輸時，由於光纖內部的不均勻性將產生瑞利(Rayleigh)散射，當遇到光纖的接頭及斷點將產生更強烈的反射，散射光有一部分將沿光纖返回，途中經過光纖定向耦合器輸入光電檢測器，經光電檢測器變為電信號，再經放大及信號處理送入顯示器，同時由微處理器控制的時鐘測量光波返回所需時間，在顯示器上繪出光波反射及散射的強度與反射點在光纖中距離的OTDR曲線(參見圖7)，這種連續不斷向輸入端傳輸散射光稱為背向散射光，這種背向散射光就將光纖上各點的「信息」送回了輸入端，靠近輸入端的光波傳輸損耗少，故散射回來的信號就強，離輸入端遠的地方光波傳輸損耗大，散射回來的信號就弱，從圖7中可以看出，在光纖接頭、熔接點及斷點處反射光的強度比瑞利散射造成的信號強度要大好幾dB，因而在OTDR曲線上造成明顯的突波，如果光纖某處存在缺陷(如焊接)或因外界撓動引起微變，則背向散射光強度在該處就有一定的衰減，故測出背向散射光脈衝的到達時間和功率損耗大小，便可確定缺陷及擾動的位置和程度，圖7中，a表示光纖接頭，b表示熔接點，c表示斷點；每一個點的距離可由下式計算得到d＝Δt/2(C/IOR)
式中d＝顯示距離 Δt＝反射時間C＝真空中的光速(2.99792458*105公裡/秒)IOR＝受測光纖折射率(等於真空中光速與光纖中光速的比值)；圖7中AB段為置入錨索中作為傳感系統的光纖，當錨索未受力時，該段光纖的光強度衰減值為ΔI1；當錨索受力變形時，該段光纖的光強度衰減值為ΔI2，隨著錨索變形的加大，光纖隨著錨索變形，光強度衰減值ΔI增加，根據光強度衰減值即可得出錨索應力應變與光功率輸出的關係，從而實現對錨索的監測。
為保證測量結果的正確，在使用光時域反射儀時需輸入被測光纖的折射率及測量範圍。
下面結合附圖及實施例對本發明之智能錨索長期工作狀態監測裝置的技術特徵作進一步的說明。


圖1本發明錨索長期工作狀態監測裝置結構示意框圖；圖2光時域反射儀結構原理框圖；圖3實施例一所述錨索長期工作狀態監測裝置的內置式光纖或光纖光纜傳感系統置於鋼絞線中的安裝分布示意圖；圖4實施例二所述錨索長期工作狀態監測裝置的內置式光纖或光纖光纜傳感系統置於鋼絲索中的安裝分布示意圖；圖5實施例三所述錨索長期工作狀態監測裝置的外置式光纖光纜傳感系統置於鋼絞線外的安裝分布示意圖；圖6實施例三所述錨索長期工作狀態監測裝置的外置式光纖光纜傳感系統置於鋼絲索外的安裝分布示意圖；圖7錨索中的光纖及對應的光纖掃描曲線(OTDR)示意圖。
圖中1-光纖傳感系統，2-傳輸光纖，3-光開關，4-二次儀表，5-粘貼在鋼絞線中心絲與側絲間隙之間，與鋼絞線具有相同的旋向和捻距的光纖或光纖光纜，6-鋼絞線，7-內徑大於Φ0.9mm的保護鋼管，8-布置在鋼絲索間隙、與鋼絲索具有相同旋向和捻距的多根光纖或光纖光纜，9-鋼絲索，10-粘貼在鋼絞線外與鋼絞線具有相同的旋向和捻距的光纖光纜，11-粘貼在鋼絞線外與鋼絞線具有相反旋向的光纖光纜，12-粘貼在鋼絲索外與鋼絲索具有相同的旋向和捻距的光纖光纜，13-粘貼在鋼絲索外與鋼絲索具有相反旋向的光纖光纜。
具體實施例方式實施例一採用內嵌式光纖光纜傳感系統的錨索長期工作狀態監測裝置。
如圖1、圖3所示本發明之錨索長期工作狀態監測裝置由置入被監測錨索中的光纖光纜(5)構成的分布式光纖傳感系統(1)、傳輸光纖(2)、光開關(3)，二次儀表——光時域反射儀(4)組成，所述的分布式光纖傳感系統與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接，所述的光纖傳感系統為普通的單芯光纖光纜構成的內嵌式光纖傳感系統，該光纖光纜(5)被粘貼在鋼絞線(6)的中心絲與側絲的間隙之間(參見圖3)與鋼絞線(6)具有相同的旋向和捻距。
作為本發明實施例一的一種變換，所述的光纖光纜(5)構成的分布式光纖傳感系統(1)中，光纖光纜(5)的條數可以是1條，也可以是2條或3條或4條或5條或6條。
作為本發明實施例一的一種變換，所述的光纖光纜(5)構成的分布式光纖傳感系統(1)中，光纖光纜(5)可以全部換成光纖。
實施例二採用內嵌式光纖光纜傳感系統的錨索長期工作狀態監測裝置。
如圖1、圖4所示本發明之智能錨索長期工作狀態監測裝置由置入被監測錨索中的光纖光纜(8)構成的分布式光纖傳感系統(1)、傳輸光纖(2)、光開關(3)，二次儀表——光時域反射儀(4)組成，所述的分布式光纖傳感系統與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接，所述的分布式光纖傳感系統為普通單芯光纖構成的內嵌式光纖傳感系統，該光纖光纜(8)被粘貼在一束鋼絲索(9)內的鋼絲間隙間(參見圖4)，與鋼絲索(9)內具有相同的旋向和捻距，光纖光纜(8)的數量為n條(1≤n≤400)。
作為本發明實施例二的一種變換，所述的光纖光纜(8)構成的分布式光纖傳感系統(1)中，光纖光纜(8)可以全部換成光纖。
作為本發明實施例一、實施例二的一種變換，所述的內嵌式傳感系統的光纖或光纖光纜的引出段外還可套有內徑大於Φ0.9mm的鋼管(7)(參見圖3)。
實施例三採用外置式光纖光纜傳感系統的錨索長期工作狀態監測裝置。該錨索長期工作狀態監測裝置由置於被監測錨索外表面的光纖光纜構成的外置式分布式光纖傳感系統、傳輸光纖(2)、光開關(3)、二次儀表——光時域反射儀(4)組成，所述的分布式光纖傳感系統與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接，所述的光纖傳感系統為單芯光纖光纜構成的外置式光纖傳感系統，各光纖光纜通過錨杯上的透氣孔引出錨索，接入傳輸光纖(8)並通過光開關(3)與光時域反射儀(9)相連；所述的傳感光纖光纜(10)、(11)被粘貼在鋼絞線外，其中光纖光纜(10)與鋼絞線鋼絲具有相同的旋向；光纖(11)與鋼絞線鋼絲具有相反的旋向(參見圖5)，所述的傳感光纖光纜(12)、(13)被粘貼在鋼絲索外，光纖光纜(12)與鋼絲索鋼絲具有相同的旋向；光纖(13)與鋼絲索鋼絲具有相反的旋向(參見圖6)。
實施例一、實施例二、實施例三中，所述的傳輸光纖與置入錨索中光纖或光纖光纜中的光纖為同種型號的光纖，具有相同的折射率，焊接損失應小於1％。
所述的光時域反射儀包含兩部分，一是MFI工作平臺，一是OTDR模塊，MFI工作平臺具備可攜式電源，液晶顯示屏，熱感式印表機等；OTDR模塊包括耦合器、光放大探測器、雷射光源、OTDR信號處理系統等(參見圖2)。
工作過程如下OTDR模塊收到來自主機的測量指令後，即對待測光纖做多次掃描平均後再將結果傳給MFI主機，MFI主機收到測量數據後進行計算，並將結果顯示在屏幕上，並提供必要的量測資料分析與文件列印等功能。
作為本發明實施例一、實施例二、實施例三的一種變換，對於短距離的光纖錨索，在系統要求不太高的情況下，所述的二次儀表——光時域反射儀(4)可用光功率計替換。
實施例四一種使用上述「錨索長期工作狀態監測裝置」的「錨索長期工作狀態監測方法」，他包括以下步驟A、安放光纖傳感系統及連接錨索長期工作狀態監測裝置1)、將光纖或光纖光纜置入被監測錨索中構成含分布式光纖傳感系統(1)的智能光纖錨索；2)、將智能光纖錨索的光纖傳感系統(1)與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接；B、調製、傳送窄脈衝光波從光時域反射儀(4)的雷射光源調製一個窄脈衝光波，並通過耦合器導入傳輸光纖，並傳送到智能光纖錨索中分布式光纖傳感系統中的光纖；C、收集傳感系統反饋信息智能光纖錨索分布式光纖傳感系統分別感受光窄脈衝在光纖內傳輸時、由於光纖內部的不均勻產生瑞利散射及反射光，並經耦合器、光放大探測器進入OTDR信號處理系統；E、分析處理傳感系統傳回的「信息」二次儀表——光時域反射儀的OTDR信號處理系統對分布式光纖傳感系統傳回的「信息」進行分析、判斷，從而得到光纖埋設處錨索的受力、損傷情況，並在液晶顯示屏上給出光纖沿線損耗的大小及位置。
作為本發明實施例四的一種變換，若被測錨索是已含有分布式光纖傳感系統的光纖錨索，則省略「A-1)、將光纖光纜置入被監測錨索中構成含分布式光纖傳感系統的智能光纖錨索；」步驟，直接從A-2)步驟開始進行。
權利要求
1.一種錨索長期工作狀態監測裝置，包括光纖傳感系統及與之相連的傳輸光纖、二次儀表，其特徵在於所述的光纖傳感系統是由置入被監測錨索中的光纖或光纖光纜構成的分布式光纖傳感系統(1)，所述的二次儀表(4)是OTDR光時域反射儀，所述的分布式光纖傳感系統(1)與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接。
2.根據權利要求1所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的分布式光纖傳感系統為光纖光纜構成的內嵌式光纖傳感系統，該光纖光纜被粘貼在鋼絞線(6)的中心絲與側絲的間隙之間或粘貼在一束鋼絲索(9)內的鋼絲間隙間，與鋼絞線(6)或鋼絲索(9)具有相同的旋向和捻距。
3.根據權利要求1所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的分布式光纖傳感系統為單芯傳感光纖光纜構成的外置式光纖光纜傳感系統，傳感光纖光纜被粘貼在鋼絞線或鋼絲索外，與鋼絞線(6)或鋼絲索(9)的鋼絲具有相同或相反的旋向；光纖光纜通過錨杯上的透氣孔引出錨索，接入傳輸光纖(2)並通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接。
4.根據權利要求1所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的分布式光纖傳感系統為光纖內嵌在錨索中構成的內嵌式傳感系統，錨索內嵌的光纖有n根——1≤n≤400根，光纖與鋼絞線或鋼絲索的鋼絲具有相同的旋向和捻距，光纖通過粘結劑與鋼絞線或鋼絲索的鋼絲粘結在一起。
5.根據權利1或2或3或4所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的傳輸光纖(2)、光開關(3)與置入錨索中光纖或光纖光纜中的光纖為同種型號的光纖，具有相同的折射率，焊接損失應小於1％。
6.根據權利2或4所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的內嵌式傳感系統的光纖或光纖光纜的引出段外套有內徑大於Φ0.9mm的鋼管(7)。
7.根據權利1或2或3或4所述的錨索長期工作狀態監測裝置，其特徵在於所述的二次儀表——光時域反射儀(4)可用光功率計替換。
8.一種錨索長期工作狀態監測方法，他包括以下步驟A、安放光纖傳感系統及連接錨索長期工作狀態監測裝置1)、將光纖光纜置入被監測錨索中構成含分布式光纖傳感系統的智能光纖錨索；2)、將智能光纖錨索的光纖傳感系統(1)與傳輸光纖(2)相連，傳輸光纖(2)通過光開關(3)與二次儀表——光時域反射儀(4)連接；B、調製、傳送窄脈衝光波從光時域反射儀的雷射光源調製一個窄脈衝光波，並通過耦合器導入傳輸光纖，並傳送到智能光纖錨索中分布式光纖傳感系統中的光纖；C、收集傳感系統反饋信息智能光纖錨索分布式光纖傳感系統分別感受光窄脈衝在光纖內傳輸時、由於光纖內部的不均勻產生瑞利散射及反射光，並經耦合器、光放大探測器進入OTDR信號處理系統；E、分析處理傳感系統傳回的「信息」二次儀表——光時域反射儀的OTDR信號處理系統對分布式光纖傳感系統傳回的「信息」進行分析、判斷，從而得到光纖埋設處錨索的受力、損傷情況，並在液晶顯示屏上給出光纖沿線損耗的大小及位置。
全文摘要
一種錨索長期工作狀態監測裝置及其方法，由置入被監測錨索中的分布式光纖傳感系統、傳輸光纖、光開關、光時域反射儀組成，所述的分布式光纖傳感系統與傳輸光纖相連，傳輸光纖通過光開關與光時域反射儀連接；所述的分布式光纖傳感系統可以是內嵌式或外置式光纖光纜傳感系統，其監測方法包括安放光纖傳感系統及連接光纖錨索長期工作狀態監測裝置，調製、傳送窄脈衝光波，收集傳感系統反饋信息，分析處理傳感系統傳回的信息等步驟，該裝置和方法可對錨索進行長期、穩定的跟蹤檢測，準確全面反映整個錨索的應力分布狀況；作為光纖傳感系統的光纖光纜內嵌在鋼絞線的中心絲與側絲的間隙之間或置於鋼絲索內鋼絲間隙間之間，不受剪力作用，不易損傷或損壞，不受施工環境的制約。
文檔編號G01B11/16GK1683902SQ200410030580
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月13日 優先權日2004年4月13日
發明者甘秋萍, 甘國榮 申請人:柳州歐維姆機械股份有限公司