[發明專利]一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置及監測方法

在審

• 申請號: 202110204600.X
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN112857227A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 英宇;王佳凱
• 申請（專利權）人: 沈陽建筑大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/02
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 劉曉嵐

本發明涉及一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置及監測方法，裝置包括待測傳感光纖，所述待測傳感光纖為光子晶體光纖，光子晶體光纖外部由環氧樹脂粘合膠包裹，沿鋼梁的長度方向粘貼在鋼梁上表面，光子晶體光纖與BOTDA應變分析儀電連接，鋼梁底部設置有支架；鋼梁兩端部設置有掛鉤；在鋼梁的連接處布置光纖光柵。本發明用光子晶體光纖取代單模進行鋼梁結構健康監測，比傳統單模光纖中高2個數量級的布里淵增益，有利于對布里淵信號的探測。此外，光子晶體光纖的包層結構可分離出另一個傳感參量，可以用于擴展新的傳感功能，提高檢測系統的可靠性與可擴展性。

技術領域

本發明屬于結構健康監測技術領域，尤其涉及一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置及監測方法。

背景技術

隨著城市大批基礎設施的規劃和建設，我國成為全球經濟發展最為迅速、工程建設規模最大的地區。在此背景下，人們對建筑工程的質量要求不斷提高。現代工程面臨著難點多、難度高和投入大等問題，建筑結構朝著超高層、大空間和大跨度方向發展。因此，人們對其安全要求也逐步提高。然而，在建筑使用階段，因受力作用、疲勞效應、環境溫濕度、老化腐蝕等諸多因素，許多安全事故在出現之前就已呈現許多征兆，結構損傷和抗力性能下降，都會導致災難性事故發生。目前，鋼梁結構為建筑的骨架結構，廣泛應用于土木工程中。在事故發生之前，建筑鋼梁都會出現裂紋。因此，對鋼梁裂紋的監測研究具有重大意義。

目前的結構健康監測技術主要有地面監測法、地面攝影測量法、GPS變形監測和衛星遙測技術等，然而，這些方法不僅成本高，且僅能對表面進行健康監測，無法對內部健康進行有效監測。光纖傳感器以其體積小、精度高、抗電磁干擾，遠程測量等優點脫穎而出，已作為結構健康監測的首選敏感元件。目前用于結構健康監測的光纖傳感器主要有三種，分別為法布里-珀羅(Fabry-perot)腔干涉型傳感器、光纖光柵(FG)傳感器和布里淵散色(Brillouin scattering)傳感器。相比之下，布里淵散色傳感器不僅結構簡單，還能夠實現遠程和分布式測量。

布里淵時域分析(Brillouinopticaltime-domain analysis,BOTDA)技術，作為布里淵散射的一種，已經廣泛應用于結構健康監測，具有高靈敏、長距離和分布式等優點。然而，目前基本通過單模光纖布里淵峰值變化檢測來實現裂縫監測。這種方法存在兩個弊端，第一，單模光纖本身是纖芯摻雜鍺離子的全內反射波導結構，當溫度過高時，離子的熱運動會導致波導結構失效。第二，外界的擾動會很大程度造成峰值的不穩定，從而無法精確預測裂紋。因而，研究使用特殊光纖取代單模，并改進測量方法進行鋼梁結構健康監測顯得尤為重要。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置及監測方法，用BOTDA應變分析儀所獲得的布里淵應變頻譜，通過分析裂紋部分所對應的布里淵應變頻譜的峰值面積比例來預測裂紋，具有測量精度高、抗干擾性強和鋪設簡單等優點。

一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置，包括待測傳感光纖，所述待測傳感光纖為光子晶體光纖，光子晶體光纖外部由環氧樹脂粘合膠包裹，沿鋼梁的長度方向粘貼在鋼梁上表面，光子晶體光纖與BOTDA應變分析儀電連接，鋼梁底部設置有支架；鋼梁兩端部設置有掛鉤；在鋼梁的連接處布置光纖光柵。

上述的一種能監測鋼梁裂縫的分布式光纖傳感裝置的監測，包括以下步驟：

步驟一：在鋼梁兩端的掛鉤處懸掛鐵桶，向桶內依次加入不同重量的沙土，使梁左端或右端施加的應力，由于不同的機械特性，兩段鋼梁的連接處可產生不同寬度的裂紋；

步驟二：記錄通過光纖光柵測得的鋼梁施加上述應力產生的裂紋測量值；

步驟三：通過BOTDA應變分析儀的BOTDA采集技術，采集出覆蓋在鋼梁上的光子晶體光纖的應變分布，計算其中一處裂紋的布里淵峰值的峰值面積δ_COD即裂紋寬度；