專利名稱：長標距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土木、交通工程的監(jiān)測裝置及其方法，具體涉及長標距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在水利、取排水、海河岸提壩防護、橋梁、海洋平臺等工程中，水流的沖刷對結(jié)構(gòu)造成破壞的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。結(jié)構(gòu)的地基往往由于水流的沖蝕而使得其強度降低，給結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患，而且因為水流的沖刷都在水下，一般很難及時發(fā)現(xiàn)。然而結(jié)構(gòu)一旦由于沖刷產(chǎn)生破壞時，往往導(dǎo)致都是諸如垮塌等惡性事故，危及廣大人民群眾的財產(chǎn)和生命安全。有資料顯示，美國在過去30年發(fā)生的約1000多座橋梁的垮塌事故，有60%是由于橋墩的沖刷破壞所致。另外，水流對海、河岸提壩基礎(chǔ)的沖刷也將威脅到提壩的安全，洋流對海洋平臺基礎(chǔ)的沖刷則威脅了海洋平臺的安全。由于水流沖刷引起的結(jié)構(gòu)安全問題，已經(jīng)日益引起人們的重視，結(jié)構(gòu)的沖刷監(jiān)測已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的一項重要的任務(wù)。目前對于沖刷深度的測量，主要有地形尺、測深桿、測深錘、回波探測儀、聲納等， 但是這些方法在實際工程應(yīng)用中都具有很大的局限性。地形尺、測深桿、測深錘的測深常常受到地形、環(huán)境、測量深度等的多方面的限制，而回波探測儀、聲納等易受噪聲干擾，而且也不便于連續(xù)監(jiān)測。光纖光柵由于精度高，應(yīng)變測量能達到1 μ ε，而且封裝后能防水，耐腐蝕，長期性能比較好，不僅能傳感，而且也能用于傳輸數(shù)據(jù)，利于組網(wǎng)和實時監(jiān)測，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。為了提高結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試的真實性、可靠性以及噪聲魯棒性，東南大學(xué)已開發(fā)出了長標距光纖光柵應(yīng)變傳感器，并成功運用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中?；诠饫w光柵的各類傳感器的開發(fā)正在大力推進中，但基于光纖光柵對于沖刷問題的研究目前還極少。目前國內(nèi)只有大連理工大學(xué)開發(fā)了一種基于常規(guī)點式光纖光柵的沖刷傳感器，其傳感探頭一旦由于沖刷而露出河床的時候，傳感器兩側(cè)將產(chǎn)生動水壓力，傳感探頭裝置兩側(cè)的膜片產(chǎn)生變形，帶動連桿的運動，并繼而帶動裝置內(nèi)的等強度梁發(fā)生撓曲，并由封裝在等強度梁FBG監(jiān)測其應(yīng)變，從而判斷有無沖刷。其原理是由于在動水中柱體繞流，在其迎流面和背流面分別產(chǎn)生正的和負的動水壓力，使得等強度梁發(fā)生變形。但是這種傳感器工藝復(fù)雜， 造價頗高，但精度卻只能達到0. 2m，而且其金屬外殼和金屬網(wǎng)片在水中很容易生銹，耐腐蝕性能差，另外其傳感器上的每個傳感探頭的光纖引出線都需要引出，增加了對調(diào)制解調(diào)儀接口的占用，不利于多個傳感器的同時檢測和監(jiān)測，且其安裝的位置也必須在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的上游，對位置也有一定的局限性。大連理工大學(xué)設(shè)計的沖刷傳感器也是基于傳統(tǒng)點式傳感方式進行應(yīng)變測量，目前對于利用長標距光纖光柵進行分布式傳感來研究沖刷問題在國內(nèi)外檢索尚無相關(guān)專利及相關(guān)文獻
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種具有高精確度、高耐久性、溫度自適應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉的長標距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列，長標距光纖光柵傳感探頭陣列位于彈性直桿的側(cè)面；長標距光纖光柵傳感探頭陣列包括多個長標距光纖光柵傳感探頭，多個長標距光纖光柵傳感探頭依次串聯(lián)。上述彈性直桿包括傳感段和位于傳感段底端的錨固段；長標距光纖光柵傳感探頭陣列安裝在傳感段上，錨固段設(shè)有多個斜向上的倒勾。上述長標距光纖光柵傳感探頭包括套管、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的兩端。上述彈性直桿采用的材料為纖維強化塑料。本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器的制作方法，包括以下幾個步驟(al)制作彈性直桿；(a2)制作長標距光纖光柵傳感探頭陣列首先制作長標距光纖光柵傳感探頭，然后將多個長標距光纖光柵傳感探頭依次進行串聯(lián)，形成長標距光纖光柵傳感探頭陣列；(a3)首先將長標距光纖光柵傳感探頭陣列安裝在彈性直桿的側(cè)面，然后將長標距光纖光柵傳感探頭陣列與彈性直桿封裝為一體，形成最終的長標距光纖光柵沖刷傳感器。上述長標距光纖光柵傳感探頭的制作方法，包括以下幾個步驟(a21)將光纖穿入套管；(a22)在套管外面包裹復(fù)合材料并浸潤環(huán)氧樹脂，進行封裝；(a23)將光纖的兩端分別通過固結(jié)膠與套管的兩端相固定，其余部分的光纖可在
套管內(nèi)自由滑動。本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器的制作方法，長標距光纖光柵傳感探頭陣列采用環(huán)氧樹脂與彈性直桿封裝為一體。本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器的安裝布設(shè)方法，包括以下幾個步驟(bl)將一鋼管套在彈性直桿上；(b2)將鋼管連同長標距光纖光柵沖刷傳感器一同插入需要監(jiān)測的位置，并且使長標距光纖光柵沖刷傳感器上安裝有長標距光纖光柵傳感探頭陣列的一面設(shè)置在水流的迎流面上；(b3)錘擊鋼管使鋼管帶動長標距光纖光柵沖刷傳感器插入泥層處，直至長標距光纖光柵傳感探頭陣列的大部分在泥層下方，小部分在泥層上方的位置，然后拔出鋼管，完成單個長標距光纖光柵沖刷傳感器最終的安裝布設(shè)。本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)包括根據(jù)所需沖刷監(jiān)測點而布設(shè)的多個(至少兩個)長標距光纖光柵沖刷傳感器，多個長標距光纖光柵沖刷傳感器依次串聯(lián)，最后一個長標距光纖光柵沖刷傳感器通過傳輸光纖連接到信號接收基地或者融入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。
本發(fā)明的有益效果如下(1)本發(fā)明的沖刷原理簡單可靠，測試方法新穎巧妙。本發(fā)明主要是利用水流對彈性直桿作用而使得布設(shè)在彈性直桿上的位于泥層上方的長標距光纖光柵波長由應(yīng)變作用發(fā)生較大變化，從而獲得沖刷深度；同時也可利用彈性直桿的固有振動頻率隨著沖刷逐步變小的特征來獲得沖刷深度；( 本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器制作工藝簡單，造價相比較為低廉。本發(fā)明主要有一根彈性直桿和多個長標距光纖光柵傳感探頭組成，制作簡單，布設(shè)方便，成本低廉，有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟效益；(3)由于本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器采用了復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂封裝， 其耐水防銹、耐腐蝕等性能優(yōu)越，且不怕電磁屏蔽和干擾，一體化封裝以后更是能適用于任何沖刷環(huán)境，具有超長的耐久性和廣泛的適用性；(4)本發(fā)明的測試精度高，其測試精度可達0. 05m，甚至更小，并且可能根據(jù)具體要求改變精度，其精度主要可以通過改變長標距光纖光柵傳感探頭的標距實現(xiàn)；(5)本發(fā)明應(yīng)用了長標距光纖光柵傳感探頭陣列，其沖刷深度的測試主要是基于泥層上方與泥層下方的長標距光纖光柵傳感探頭應(yīng)變相對值或直桿的固有頻率變化進行確定，因此無需考慮溫度補償問題，使得測試簡單有效；(6)本發(fā)明無需對安裝位置進行限制，只要保證水流能帶動部分插入河床彈性直桿發(fā)生彎曲和振動，并使得長標距光纖光柵傳感探頭陣列位于迎流面即可。(7)本發(fā)明可對多點同時進行沖刷監(jiān)測，可按照監(jiān)測需求，在多個監(jiān)測點植入傳感器，實現(xiàn)一個區(qū)域的整體沖刷監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器原理圖；圖2為本發(fā)明的長標距光纖光柵傳感探頭陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器安裝布設(shè)圖；圖4為本發(fā)明的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標號傳感段11，錨固段12，倒勾13，長標距光纖光柵傳感探頭陣列2，長標距光纖光柵傳感探頭20，光纖21，光柵22，套管23，鋼管3，長標距光纖光柵沖刷傳感器4， 傳輸光纖5，信號接收基地或者結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)6。
具體實施例方式為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式
，進一步闡述本發(fā)明。參見圖1和圖2，本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器4包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列2，長標距光纖光柵傳感探頭陣列2位于彈性直桿的側(cè)面，光纖引出線在頂部引出。封裝形成的長標距光纖光柵沖刷傳感器4具有很好的對環(huán)境的耐久性。長標距光纖光柵傳感探頭陣列2包括多個(兩個及以上)長標距光纖光柵傳感探頭20，多個長標距光纖光柵傳感探頭20依次進行串聯(lián)。
每一個長標距光纖光柵傳感探頭20的兩端均固定在彈性直桿的側(cè)面上，長標距光纖光柵傳感探頭20包括套管23、封裝在套管23內(nèi)的光纖21、刻寫在光纖21上的光柵22 和封裝在套管23上的復(fù)合材料保護層，光纖21的兩端分別固定在套管23的兩端，光柵22 在套管23內(nèi)可自由滑動，兩個固定點之間的距離即為設(shè)定的標距。標距的長度以及長標距光纖光柵傳感探頭20的個數(shù)可以根據(jù)用戶的要求進行設(shè)置。彈性直桿包括傳感段11和位于傳感段11底端的錨固段12，傳感段11的直徑小于錨固段12的直徑；長標距光纖光柵傳感探頭陣列2安裝在傳感段11上，錨固段12設(shè)有多個(兩個及兩個以上)斜向上的倒勾13。本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器4的制作方法，包括以下幾個步驟(al)制作一根剛度適中的彈性直桿，彈性直桿在水流的作用下會發(fā)生輕微的彎曲，在彈性直桿的錨固段12設(shè)置多個斜向上的倒勾13 ；(a2)制作長標距光纖光柵傳感探頭陣列2 首先制作長標距光纖光柵傳感探頭20，然后將多個(兩個及兩個以上)長標距光纖光柵傳感探頭20依次進行串聯(lián)，光纖引出線從頂部引出，形成長標距光纖光柵傳感探頭陣列2 ；長標距光纖光柵傳感探頭20的制作方法，包括以下幾個步驟(a21)將光纖21穿入套管23 ；(a22)在套管23外面包裹復(fù)合材料并浸潤環(huán)氧樹脂，進行封裝；(a2!3)將光纖21的兩端分別通過固結(jié)膠與套管23的兩端相固定，其余部分的光纖可在套管23內(nèi)自由滑動。(a3)首先將長標距光纖光柵傳感探頭陣列2安裝在彈性直桿的傳感段11側(cè)面上， 然后將長標距光纖光柵傳感探頭陣列2采用環(huán)氧樹脂與與彈性直桿封裝為一體，形成最終的長標距光纖光柵沖刷傳感器4。參見圖3，本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器4的安裝布設(shè)方法，包括以下幾個步驟(bl)將一粗細適中空心的鋼管3套在彈性直桿上，其中鋼管3的內(nèi)直徑大于傳感段11的外直徑，且鋼管3的外直徑與錨固段12的直徑相近似，鋼管3套在傳感段11上并且鋼管3端部抵住錨固段12;(b2)將鋼管3連同長標距光纖光柵沖刷傳感器4 一同插入需要監(jiān)測的位置，并且使長標距光纖光柵沖刷傳感器4上安裝有長標距光纖光柵傳感探頭陣列2的一面設(shè)置在水流的迎流面上(對著水流流動的方向)，通過初始測量可以得到河床的初始標高，通過長期的沖刷監(jiān)測，即可得到每個監(jiān)測位置的沖刷情況。(b3)持續(xù)錘擊鋼管3，使鋼管3帶動長標距光纖光柵沖刷傳感器4插入泥層處，直至長標距光纖光柵傳感探頭陣列2的大部分在泥層下方，小部分在泥層上方的位置，然后拔出鋼管3，完成單個長標距光纖光柵沖刷傳感器4最終的安裝布設(shè)。參見圖4，本發(fā)明的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)包括根據(jù)所需沖刷監(jiān)測點而布設(shè)的兩個長標距光纖光柵沖刷傳感器4，兩個長標距光纖光柵沖刷傳感器4依次串聯(lián)，最后一個(圖4中右邊的一個)長標距光纖光柵沖刷傳感器4通過傳輸光纖5連接到信號接收基地或者融入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)6中，簡單方便。本實施例中，彈性直桿采用的材料為纖維強化塑料(簡稱FRP)。本發(fā)明長標距光纖光柵沖刷傳感器4的工作原理如下本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器4主要是利用光柵22對于應(yīng)變的敏感性而進行的，當(dāng)長標距光纖光柵傳感探頭20插入河床之中，水流將使得彈性直桿的未插入泥層中的部分發(fā)生隨水流方向的明顯彎曲并隨水流變化不斷晃動，而在泥層下方的部分基本不發(fā)生彎曲，因此泥層上方的光柵22將出現(xiàn)較大的應(yīng)變，而且在時程上也將出現(xiàn)不斷的波動，而處于泥層下方的光柵22則基本沒有應(yīng)變變化，通過泥層上方和下方長標距光纖光柵沖刷傳感器4中光柵22的波長特征可以判斷泥層與水的交界面的高度，從而得出沖刷的深度。同時，河床經(jīng)過沖刷后，彈性直桿露出泥層部分將增大，使得其固有振動頻率減小，因此通過測試傳感器的應(yīng)變時程信號計算其固有振動頻率，不僅可以判斷有無沖刷，還能確定沖刷深度。這兩種判斷和計算方法可以單獨使用，同時使用則可以提高其判斷和評價的準確度。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
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權(quán)利要求
1.長標距光纖光柵沖刷傳感器，其特征在于，包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列O)，所述長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 位于彈性直桿的側(cè)面；所述長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 包括多個長標距光纖光柵傳感探頭(20)，所述多個長標距光纖光柵傳感探頭00)依次串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器，其特征在于，所述彈性直桿包括傳感段(11)和位于傳感段(11)底端的錨固段(12)；所述長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 安裝在傳感段(11)上，所述錨固段(1 設(shè)有多個斜向上的倒勾(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器，其特征在于，所述長標距光纖光柵傳感探頭00)包括套管(23)、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵(22)，所述光纖的兩端分別固定在套管的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器，其特征在于，所述彈性直桿采用的材料為纖維強化塑料。
5.由權(quán)利要求1 4任意一項所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器的制作方法，其特征在于，包括以下幾個步驟(al)制作彈性直桿；(a2)制作長標距光纖光柵傳感探頭陣列O)首先制作長標距光纖光柵傳感探頭(20)，然后將多個長標距光纖光柵傳感探頭OO) 依次進行串聯(lián)，形成長標距光纖光柵傳感探頭陣列O)；(a3)首先將長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 安裝在彈性直桿的側(cè)面，然后將長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 與彈性直桿封裝為一體，形成最終的長標距光纖光柵沖刷傳感器⑷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器的制作方法，其特征在于， 所述長標距光纖光柵傳感探頭OO)的制作方法，包括以下幾個步驟(a21)將光纖穿入套管03)；(a22)在套管外面包裹復(fù)合材料并浸潤環(huán)氧樹脂；(a23)將光纖的兩端分別固定在套管的兩端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器的制作方法，其特征在于， 所述長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 采用環(huán)氧樹脂與彈性直桿封裝為一體。
8.由權(quán)利要求1 4任意一項所述的長標距光纖光柵沖刷傳感器的安裝布設(shè)方法，其特征在于，包括以下幾個步驟(bl)將一鋼管( 套在彈性直桿上；(b2)將鋼管(3)連同長標距光纖光柵沖刷傳感器(4) 一同插入需要監(jiān)測的位置，并且使長標距光纖光柵沖刷傳感器(4)上安裝有長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 的一面設(shè)置在水流的迎流面上；(b3)錘擊鋼管(3)，直至長標距光纖光柵傳感探頭陣列( 的大部分在泥層下方，小部分在泥層上方的位置，然后拔出鋼管(3)，完成單個長標距光纖光柵沖刷傳感器(4)最終的安裝布設(shè)。
9.由權(quán)利要求1 4任意一項所述長標距光纖光柵沖刷傳感器構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于，包括根據(jù)所需沖刷監(jiān)測點而布設(shè)的多個長標距光纖光柵沖刷傳感器(4)，多個所述長標距光纖光柵沖刷傳感器(4)依次串聯(lián)，最后一個所述長標距光纖光柵沖刷傳感器(4)通過傳輸光纖(5)連接到信號接收基地或者融入到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(6)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了長標距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明的長標距光纖光柵沖刷傳感器包括彈性直桿和與彈性直桿封裝為一體的長標距光纖光柵傳感探頭陣列，長標距光纖光柵傳感探頭陣列位于彈性直桿的側(cè)面；長標距光纖光柵傳感探頭陣列包括多個長標距光纖光柵傳感探頭，多個長標距光纖光柵傳感探頭依次串聯(lián)。本發(fā)明的沖刷原理簡單可靠，測試方法新穎巧妙；本發(fā)明的傳感器制作工藝簡單，造價相比較為低廉；本發(fā)明的耐久性好，環(huán)境適應(yīng)性好；本發(fā)明的測試精度高，其測試精度可達0.05m，甚至更小，并且可能根據(jù)具體要求改變精度；本發(fā)明無需考慮溫度補償問題，使得測試簡單有效。
文檔編號G01B11/22GK102445160SQ20111035289
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者萬春風(fēng), 吳剛, 吳智深, 楊才千 申請人:東南大學(xué)