用于結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)的分布式光纖傳感檢測(cè)機(jī)理研究

材料缺陷、腐蝕和超期服役等因素造成的大量損傷隱患對(duì)工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，居高不下的維修、維護(hù)費(fèi)用也使工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行成本劇增。本課題深入研究工程結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射波與光纖F-P傳感器作用機(jī)理，首先建立了光纖Fabry-Perot傳感器的多光束干涉模型和受應(yīng)力波作用的傳感模型；針對(duì)光纖Fabry-Perot傳感器的工作點(diǎn)漂移問題，研究并開發(fā)一種雙探頭傳感探頭，成功用于傳感器工作點(diǎn)控制技術(shù)，使兩路輸出信號(hào)處于正交狀態(tài)，保證了傳感器工作點(diǎn)位于正交點(diǎn)，提高了傳感器檢測(cè)應(yīng)力波的靈敏度；進(jìn)行分布式光纖F-P傳感器的設(shè)計(jì)構(gòu)造與相關(guān)理論研究，確定分布式光纖F-P傳感器的構(gòu)造形式；設(shè)計(jì)標(biāo)測(cè)傳感器對(duì)連續(xù)聲波和脈沖校準(zhǔn)聲波響應(yīng)特性的技術(shù)方法、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)定設(shè)施，調(diào)試和標(biāo)定所設(shè)計(jì)的傳感器，改進(jìn)傳感器部分技術(shù)性能。在光纖傳感器的定位方法的研究中，通過分析語(yǔ)音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)的原理，提出將語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量端點(diǎn)檢測(cè)方法應(yīng)用于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)定，并采用光纖F-P雙探頭傳感器進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。首先，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）對(duì)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理；其次，通過計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)的短時(shí)能量來確定聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間；最后，根據(jù)各傳感器檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行聲發(fā)射源定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，絕對(duì)定位精度達(dá)到4.9mm，相對(duì)精度達(dá)到4.67%，證明此方法可行，并達(dá)到精度要求。通過上述研究，提出一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的新型分布式光纖傳感技術(shù)用于聲發(fā)射信號(hào)的獲取與處理，從而達(dá)到對(duì)工程結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估。該方法在保障工程結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行、合理設(shè)定損傷容限、降低維護(hù)費(fèi)用、災(zāi)害預(yù)報(bào)和延長(zhǎng)工作壽命等方面有著重要的意義。 2100433B

材料缺陷、腐蝕和超期服役等因素造成的大量損傷隱患對(duì)工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，居高不下的維修、維護(hù)費(fèi)用也使工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行成本劇增。本課題深入研究工程結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射波與光纖F-P傳感器作用機(jī)理，建立傳感器干涉模型和應(yīng)變模型；研究用于傳感器工作點(diǎn)控制技術(shù)，以保證傳感器的靈敏度；進(jìn)行分布式光纖F-P傳感器的設(shè)計(jì)構(gòu)造與相關(guān)理論研究，確定分布式光纖F-P傳感器的構(gòu)造形式；設(shè)計(jì)標(biāo)測(cè)傳感器對(duì)連續(xù)聲波和脈沖校準(zhǔn)聲波響應(yīng)特性的技術(shù)方法、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)定設(shè)施，調(diào)試和標(biāo)定所設(shè)計(jì)的傳感器，改進(jìn)傳感器部分技術(shù)性能。通過上述研究，提出一種用于工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的新型分布式光纖傳感技術(shù)用于聲發(fā)射信號(hào)的獲取與處理，從而達(dá)到對(duì)工程結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估。該方法在保障工程結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行、合理設(shè)定損傷容限、降低維護(hù)費(fèi)用、災(zāi)害預(yù)報(bào)和延長(zhǎng)工作壽命等方面有著重要的意義。

《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》屬于巖土工程監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域和基于分布式光纖傳感檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域；尤其涉及灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法。

灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)專利目的

《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》正是基于以上光纖傳感技術(shù)而研發(fā)的專門標(biāo)定分布式應(yīng)變傳感光纖的檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器存在的問題，《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》利用了分布式光纖傳感技術(shù)檢測(cè)灌注樁身應(yīng)變分布，據(jù)此分析樁的承載能力及樁身完整性。

灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)技術(shù)方案

《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》的技術(shù)解決方案是：灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法，其特征是利用光纖對(duì)應(yīng)變的傳感特性，將光纖植入灌注樁內(nèi)，當(dāng)混凝土凝固或受到外界荷載時(shí)將會(huì)和其周邊混凝土發(fā)生同步變形，其發(fā)生的應(yīng)變大小可認(rèn)為是樁身混凝土的應(yīng)變值，鑒于此傳感技術(shù)為分布式數(shù)據(jù)采集，即可得到樁身每一點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)變結(jié)合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側(cè)摩阻力和樁端阻力。側(cè)摩阻力和樁端阻力的運(yùn)算采用該發(fā)明申請(qǐng)人的率定方案和公式。

將封裝的分布式傳感光纖對(duì)稱的捆綁在鋼筋籠放入鉆孔中進(jìn)行澆注，保護(hù)引出接入光纖應(yīng)變解調(diào)儀器進(jìn)行樁身應(yīng)變和溫度測(cè)試，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存或輸出到終端處理器。

靜載試驗(yàn)時(shí)每級(jí)荷載沉降穩(wěn)定后測(cè)試光纖應(yīng)變值與沒有荷載時(shí)初始應(yīng)變之差作為樁身在相應(yīng)荷載作用下各截面的附加應(yīng)變值分布。

附加應(yīng)變值與混凝土彈性模量和樁身截面積的乘積得出樁身在各級(jí)荷載下樁身軸力分布，據(jù)此計(jì)算各土層的各級(jí)荷載下側(cè)摩阻力和樁端阻力大小、發(fā)展趨勢(shì)、極限值；根據(jù)應(yīng)變分布變化異常來探測(cè)樁身缺陷的位置及類型；根據(jù)若干根對(duì)稱光纖在同一截面點(diǎn)的應(yīng)變差異判斷荷載是否偏心及樁身是否扭曲。

分布式光纖傳感器的設(shè)置方法極為重要。光纖在樁體環(huán)狀加上徑向雙倍長(zhǎng)度的分布光纖布置。

光纖鋪設(shè)時(shí)，將帶有凹槽的載體鋪平于工作臺(tái)，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風(fēng)加快分干。膠水完全干結(jié)后，用線盤將光纖盤好包扎，在盤線過程仔細(xì)檢查是否有光纖翹起未粘合處，并及時(shí)補(bǔ)抹。

將直徑為0.9毫米的單模傳感光纖利用膠劑粘合到雙股護(hù)套光纖或電纜的凹槽中風(fēng)干，定位并標(biāo)定后作為傳感光纖。將傳感光纖沿著鋼筋籠縱向主筋或?qū)Ч艿膫?cè)面進(jìn)行捆綁鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中保持光纖垂直并傳感光纖一直對(duì)外。每

根樁光纖至少鋪設(shè)兩根，對(duì)稱分布，底部平滑過渡并保護(hù)，呈“U”字形。對(duì)于多節(jié)鋼筋籠，最底部可事先幫好再下，以上部分捆綁光纖要與下籠同步，對(duì)接處要防止焊接火花灼斷光纖。灌入混凝土前要將光纖保護(hù)從樁頭側(cè)邊引出，并做標(biāo)志定位。

該發(fā)明系統(tǒng)包括樁身測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理分析四個(gè)子系統(tǒng)，參見附圖2，其中樁身測(cè)試、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》的核心，傳感光纖封裝、鋪設(shè)工藝和數(shù)據(jù)處理分析方法為該發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)。

普通通訊光纖作為傳感光纖植入混凝土前必需進(jìn)行封裝，封裝的傳感光纖即要抗拉、抗攪亂、抗混凝土沖擊等強(qiáng)度要求，其對(duì)應(yīng)變的反應(yīng)靈敏性也不能受到影響。《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》自創(chuàng)了一套傳感光纖的封裝工藝，以帶有與普通尼龍光纖直徑相當(dāng)寬度凹槽的載體，如雙股護(hù)套光纜、雙芯細(xì)電纜等，凹槽中涂入膠水后鋪入光纖壓合。為方便施工鋪設(shè)載體以富有一定彈性但又柔軟的載體為佳，為防止涂膠后載體及光纖發(fā)脆，膠合試劑以軟韌且能快速來勁的塑料膠為宜，如102膠。

封裝后的傳感光纖如何植入到樁體內(nèi)也是《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》的重要內(nèi)容，《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》利用樁體內(nèi)的鋼筋或者管件作為載體，樁孔完成后安放鋼筋骨架的同時(shí)將光纖捆綁在骨架的縱向筋體上同時(shí)下放入孔內(nèi)，孔口保護(hù)從側(cè)邊引出后灌注混凝土。每孔至少鋪設(shè)兩條光纖，且呈對(duì)稱分布，底部圓滑相連過渡，光纖鋪設(shè)要沿鋼筋側(cè)邊且將光纖對(duì)外。針對(duì)鋪設(shè)過程中光纖孔底易過渡彎曲、點(diǎn)焊火花灼斷及孔口引出暴露光纖已被人為和機(jī)械破壞等問題，提出了相應(yīng)的保護(hù)措施，參見權(quán)利保護(hù)6。對(duì)于地下水活動(dòng)大的地區(qū)還加鋪設(shè)溫度補(bǔ)償線路，以消除溫度影響。此鋪設(shè)工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有：光纖在樁內(nèi)筆直不彎曲；光纖不易折斷；快速簡(jiǎn)單，節(jié)省工期；留有后備保障，光纖傳感器成活率高等。

該測(cè)試方法主要配合樁基靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行，以樁未加載的樁身應(yīng)變值作為初始應(yīng)變，每級(jí)荷載穩(wěn)定后測(cè)試樁身應(yīng)變，以此應(yīng)變與初始應(yīng)變的差值——附加應(yīng)變作為分析系統(tǒng)的基本變量。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于樁身應(yīng)變模式而開發(fā)，分析系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)預(yù)處理、樁身受力計(jì)算和成果顯示幾個(gè)模塊。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)異常識(shí)別、數(shù)據(jù)平滑、空間定位等功能；樁身受力分析包括軸力計(jì)算、彈性模量修正、樁身軸面修正、各土層摩擦阻力計(jì)算、樁端阻力計(jì)算等功能；成果以曲線、表格及彩圖形式輸出。

灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)改善效果

《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》就以該項(xiàng)為核心發(fā)明出一套基于分布式光纖傳感灌注樁監(jiān)測(cè)方法和分析系統(tǒng)，該方法系統(tǒng)運(yùn)用到樁基檢測(cè)的將會(huì)推動(dòng)該領(lǐng)域一次革新，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的樁基檢測(cè)手段相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)，由光纖的一端就可以準(zhǔn)確地得到光纖沿線任一點(diǎn)的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息，且這些信息都為線性或準(zhǔn)線性信息，能克服傳統(tǒng)點(diǎn)式檢測(cè)漏檢的弊端，提高監(jiān)測(cè)效率，根據(jù)這些分布式信息，可以分析樁身應(yīng)變分布特征，樁身軸力分布特征，樁身變形機(jī)理等，為樁基設(shè)計(jì)提供參考。

（2）最大量程范圍達(dá)80千米，且傳感光纖既能作為傳感體又可作為傳輸體，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、全方位監(jiān)測(cè)，能夠滿足超深鉆孔灌注樁的測(cè)試要求。

（3）分布式光纖檢測(cè)技術(shù)作為新型的傳感檢測(cè)技術(shù)，它的施工工藝簡(jiǎn)單，能夠與鋼筋混凝土協(xié)調(diào)變形，且能夠避免電磁干擾，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進(jìn)入光纖，成活率基本達(dá)到100％，避免了傳統(tǒng)鋼筋計(jì)的安裝方法困難且成活率不高的弊端。

（4）傳感光纖的封裝是基于普通的通信用單模光纖，所以傳感器的成本相對(duì)較低，加上成活率較高，因而可以大大節(jié)省檢測(cè)費(fèi)用，減少檢測(cè)時(shí)間。隨著技術(shù)的發(fā)展，光纖解調(diào)設(shè)備的研發(fā)和制造費(fèi)用也越來越低，故該項(xiàng)技術(shù)能夠全面推廣。

（5）通過網(wǎng)絡(luò)可以將其與計(jì)算機(jī)終端連接在一起，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件可以開發(fā)出遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、變形預(yù)警系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)物健康診斷系統(tǒng)等，為最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提供條件。

（6）BOTDR不需要特制的傳感器，只需要一根普通的通信光纖作為傳感光纖。BOTDR不需要特制的傳感器因此傳感光纖的性能和鋪設(shè)工藝等是BOTDR可以用于樁基檢測(cè)中的關(guān)鍵方法和裝置問題。

該方法系統(tǒng)具有分布式、高精度、安裝簡(jiǎn)便及成本低廉等特點(diǎn)，可適用于各種施工工藝下完成的摩擦樁、端承樁、支盤樁等各種型灌注樁，能與錨樁反壓、堆載及自平衡法等加載系統(tǒng)進(jìn)行配合使用。

圖1A、1B是《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》傳感光纖封裝示意圖，圖1A是側(cè)視圖，圖1B是截面圖；

圖2是《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》基于分布式光纖檢測(cè)技術(shù)的灌注樁檢測(cè)系統(tǒng)；

圖3是《灌注樁基礎(chǔ)分布式光纖傳感檢測(cè)方法與系統(tǒng)》分布式樁身變分布圖。