[發明專利]一種預應力鋼筒混凝土管斷絲光纖聲發射監測系統及其監測方法

在審

• 申請號: 201710942576.3
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107589180A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 馮新;韓陽
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司21208
• 代理人: 花向陽,楊翠翠

1.一種預應力鋼筒混凝土管斷絲光纖聲發射監測系統，它包括寬譜光源（1）、導引光纖、傳感光纖、步進電機、光電探測器（27）、高速數據采集卡（28）和計算機（29），其特征是：所述導引光纖包含第一導引光纖（8）、第二導引光纖（15）、第三導引光纖（18）和第四導引光纖（22），所述傳感光纖包含第一傳感光纖（11）和第二傳感光纖（13）；所述寬譜光源（1）依次經第一連接光纖（2）、光纖環形器（3）和第二連接光纖（4）連接2×2光纖耦合器（5），所述光電探測器（27）經第五連接光纖（26）連接2×2光纖耦合器（5），所述2×2光纖耦合器（5）的一路經第三連接光纖（6）連接第一1×2光纖耦合器（7），另一路經第四連接光纖（16）連接第二1×2光纖耦合器（17）；所述第一1×2光纖耦合器（7）的一路經第一導引光纖（8）連接第一傳感光纖（11），第一傳感光纖（11）的端部連接第一反射鏡（12），另一路經第二導引光纖（15）連接第二傳感光纖（13），第二傳感光纖（13）的端部連接第二反射鏡（14）；第一傳感光纖（11）的長度與預應力鋼筒混凝土管（9）的長度相同，第一傳感光纖（11）沿預應力鋼筒混凝土管（9）的縱向布設，第二傳感光纖（13）的長度為預應力鋼筒混凝土管（9）長度的2倍，前二分之一的第二傳感光纖（13）外部包覆吸收應力波的材料或將其穿入塑料管內，并與第一傳感光纖（11）相同的方向沿預應力鋼筒混凝土管（9）縱向鋪設，后二分之一的第二傳感光纖（13）沿相反方向返回；所述第二1×2光纖耦合器（17）的一路經第三導引光纖（18）連接端部設置第一移動反射鏡（20）的第一參考光纖（19），第一參考光纖（19）的長度與第一傳感光纖（11）的長度相同，另一路經第四導引光纖（22）連接端部設置第二移動反射鏡（24）的第二參考光纖（23），第二參考光纖（23）的長度與第二傳感光纖（13）的長度相同；所述計算機（29）電連接驅動第一移動反射鏡（20）的第一步進電機（21）、第二移動反射鏡（24）的第二步進電機（25）和高速數據采集卡（28）。

2.根據權利要求1所述的一種預應力鋼筒混凝土管斷絲光纖聲發射監測系統，其特征是：所述導引光纖、傳感光纖是單模光纖，第一導引光纖（8）的長度與第二導引光纖（15）的長度不相等，第一導引光纖（8）的長度與第一傳感光纖（11）的長度不相等，第二導引光纖（15）的長度與第二傳感光纖（13）的長度不相等，第一導引光纖（8）與第三導引光纖（18）的長度相同，第二導引光纖（15）與第四導引光纖（22）的長度也相同。

3.根據權利要求1所述的一種預應力鋼筒混凝土管斷絲光纖聲發射的監測方法，其特征是：所述監測方法包括以下步驟：

第一步、寬譜光源（1）經過第一連接光纖（2）進入光纖環形器（3）后，通過第二連接光纖（4）與2×2光纖耦合器（5）的一個輸入端相連；2×2光纖耦合器（5）的一個輸出端通過第三連接光纖（6）連接到第一1×2光纖耦合器（7）上，另外一個輸出端通過第四連接光纖（16）連接到第二1×2光纖耦合器（17）上；

第二步、第一1×2光纖耦合器（7）的一個輸出端通過第一導引光纖（8）與第一傳感光纖（11）相連，第一傳感光纖（11）沿預應力鋼筒混凝土管（9）縱向布設，其端部設置第一反射鏡（12）；第一1×2光纖耦合器（7）的另外一個輸出端通過第二導引光纖（15）連接到第二傳感光纖（13）上，第二傳感光纖（13）的前二分之一與第一傳感光纖（11）同向沿預應力鋼筒混凝土管（9）縱向布設，但應采取前述方法使前二分之一第二傳感光纖（13）不受聲發射事件的擾動，其后二分之一第二傳感光纖（13）沿相反方向返回，在端部設置第二反射鏡（14）；第一導引光纖（8）與第二導引光纖（15）的長度之差應大于幾厘米，并且與兩條傳感光纖的長度之差也至少在幾厘米以上；

第三步、第二1×2光纖耦合器（17）的一個輸出端通過第三導引光纖（18）與第一參考光纖（19）相連，在其端部通過一小段空氣光程由第一移動反射鏡（20）將光線反射；第二1×2光纖耦合器（17）的另外一個輸出端通過第四導引光纖（22）與第二參考光纖（23）相連，同樣通過其端部的第二移動反射鏡（24）將光線反射；第三導引光纖（18）應具有與第一導引光纖（8）相同的長度，第四導引光纖（22）也應具有與第二導引光纖（15）相同的長度；

第四步、兩條傳感光纖經過反射鏡反射的光線分別經過第一導引光纖（8）和第二導引光纖（15）進入第一1×2光纖耦合器（7），然后在其輸入端經過第三連接光纖（6）進入2×2光纖耦合器（5）的一個輸出端，并在其輸入端經過第五連接光纖（26）進入光電探測器（27）；

第五步、兩條參考光纖經過移動反射鏡反射的光纖分別經過第三導引光纖（18）和第四導引光纖（22）

進入第二1×2光纖耦合器（17），然后在其輸入端經過第四連接光纖（16）進入2×2光纖耦合器（5）的另外一個輸出端，并在其輸入端經過第五連接光纖（26）進入光電探測器（27）；

第六步、當預應力鋼筒混凝土管（9）的鋼絲斷裂導致聲發射事件后，應力波傳遞到位于斷絲位置的兩條傳感光纖上，第一傳感光纖（11）與第一參考光纖（19）發生干涉，第二傳感光纖（13）與第二參考光纖（23）也發生干涉，通過由計算機（29）控制的第一移動反射鏡（20）和第二移動反射鏡（24）的掃描，即可在光電探測器（27）獲得相繼的兩個干涉信號；

第七步、干涉信號的光強分析：假設由預應力鋼絲斷裂導致的聲發射事件的擾動信號表示為，則由擾動信號引起的兩路光信號的相位差為；聲發射事件在第一傳感光纖（11）引起擾動后到達光電探測器（27）的時間設為，則第一傳感光纖（11）與第一參考光纖（19）的干涉光強為

其中和分別為干涉信號的平均幅值和兩路相干光信號的初始相位差；同樣地，第二傳感光纖（13）在受到聲發射事件擾動后經過時刻的干涉光強為

通過比較和的表達式發現，兩個干涉信號存在一個固定的時間延遲

其中；

第八步、干涉信號的時間延遲分析：第一導引光纖（8）和第三導引光纖（18）的光程均設為,第二導引光纖（15）和第四導引光纖（22）的光程均設為，第三連接光纖（6）和第四連接光纖（16）的光程均設為，第五連接光纖（26）的光程設為；設預應力鋼筒混凝土管（9）的長度為,預應力鋼絲斷裂于管道縱向長度處；則

其中為光在真空中的傳播速度，為光纖纖芯的折射率；兩個干涉信號的時間延遲可表示為

；

第九步、預應力鋼筒混凝土管（9）斷絲位置的確定：由計算機系統對兩個相繼的干涉信號進行互相關分析，通過檢驗互相關函數的峰值，得到兩個干涉信號時間延遲的估計；利用分析獲得的時間延遲確定聲發射事件的位置為

從而也就確定了預應力鋼筒混凝土管（9）預應力鋼絲斷裂沿管道縱向的位置。