[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

技術領域

本發明涉及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，屬于結構安全監測技術領域。

背景技術

預應力鋼筒混凝土管（Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe，縮寫為PCCP）是一種復合型管材，通常由內嵌薄鋼筒的高強混凝土管芯，外部纏繞預應力鋼絲，并噴射水泥砂漿保護層組成。PCCP充分利用混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗滲等材料的各自優勢，使得管材具有高抗滲、高密封性和高強度的“三高”特征，在市政、水利、能源等工程中得到了普遍應用。

預應力鋼絲是決定PCCP管體強度的關鍵。在管道服役過程中，應力和腐蝕因素的聯合作用，通常會導致PCCP中預應力鋼絲發生斷裂，造成管道承載能力下降，一旦遭遇不利荷載，引起管道爆裂。獲得PCCP預應力鋼絲斷裂的信息，便成為評估管道結構安全，防止爆管事故發生的關鍵。目前，國內外主要采用兩類電磁技術，即遠場渦流和P波技術，進行PCCP斷絲位置和數量的檢測。盡管電磁技術在PCCP斷絲檢測中得到了廣泛應用，但是這類技術仍然存在易受環境電磁干擾、檢測精度較低以及無法實時監測的缺陷。PCCP預應力鋼絲斷裂所釋放的能量，將以聲波的形式在管內的水中傳播，如果沿管道的縱向布設光纖傳感器，則可以拾取水中傳播的聲發射信號，實現PCCP運行狀態下斷絲行為的實時探測。管道光纖聲發射傳感器主要基于Mach-Zehnder干涉原理或Sagnac干涉原理實現，但是前者對激光器的相干性要求較高，后者無法區分聲發射擾動位置處于傳感器的上半環還是下半環。基于Michelson干涉原理的低相干白光光纖干涉測量技術，較全相干技術具有更好的工作穩定性，但是目前還難以實現聲發射事件的探測和定位，而PCCP斷絲監測最為重要的目的是探測預應力鋼絲斷裂的位置。

發明內容

本發明的目的旨在提供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，采用低相干白光雙干涉傳感器配置方式，并提出了傳感器在預應力鋼筒混凝土管上的布設方案，通過對監測系統獲得的相繼兩個干涉信號的時間延遲分析，進行聲發射事件的精確定位，實現預應力鋼筒混凝土管斷絲的實時監測及結構安全預警。

本發明采用的技術方案是：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、導引光纖、傳感光纖、步進電機、光電探測器、高速數據采集卡和計算機，所述導引光纖包含第一導引光纖、第二導引光纖、第三導引光纖和第四導引光纖，所述傳感光纖包含第一傳感光纖和第二傳感光纖；所述寬譜光源依次經第一連接光纖、光纖環形器和第二連接光纖連接2×2光纖耦合器，所述光電探測器經第五連接光纖連接2×2光纖耦合器，所述2×2光纖耦合器的一路經第三連接光纖連接第一1×2光纖耦合器，另一路經第四連接光纖連接第二1×2光纖耦合器；所述第一1×2光纖耦合器的一路經第一導引光纖連接第一傳感光纖，第一傳感光纖的端部連接第一反射鏡，另一路經第二導引光纖連接第二傳感光纖，第二傳感光纖的端部連接第二反射鏡；第一傳感光纖的長度與預應力鋼筒混凝土管的長度相同，第一傳感光纖沿預應力鋼筒混凝土管的縱向布設，第二傳感光纖的長度為預應力鋼筒混凝土管長度的2倍，前二分之一的第二傳感光纖外部包覆吸收應力波的材料或將其穿入塑料管內，并與第一傳感光纖相同的方向沿預應力鋼筒混凝土管縱向鋪設，后二分之一的第二傳感光纖沿相反方向返回；所述第二1×2光纖耦合器的一路經第三導引光纖連接端部設置第一移動反射鏡的第一參考光纖，第一參考光纖的長度與第一傳感光纖的長度相同，另一路經第四導引光纖連接端部設置第二移動反射鏡的第二參考光纖，第二參考光纖的長度與第二傳感光纖的長度相同；所述計算機電連接驅動第一移動反射鏡的第一步進電機、第二移動反射鏡的第二步進電機和高速數據采集卡。

所述導引光纖、傳感光纖是單模光纖，第一導引光纖的長度與第二導引光纖的長度不相等，第一導引光纖的長度與第一傳感光纖的長度不相等，第二導引光纖的長度與第二傳感光纖的長度不相等，第一導引光纖與第三導引光纖的長度相同，第二導引光纖與第四導引光纖的長度也相同。

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包括以下步驟：

第一步、寬譜光源經過第一連接光纖進入光纖環形器后，通過第二連接光纖與2×2光纖耦合器的一個輸入端相連；2×2光纖耦合器的一個輸出端通過第三連接光纖連接到第一1×2光纖耦合器上，另外一個輸出端通過第四連接光纖連接到第二1×2光纖耦合器上；