[发明专利]高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法

说明书

技术领域

本发明属于信号检测和分析技术领域，涉及一种用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法。

背景技术

近年来，在结构健康监测和地质灾害监测中，利用布里渊分布式光纤监测技术的光纤传感监测系统得到了迅速的发展，目前工程上广泛采用基于常规电测式传感器的人工采集数据方法，这种方法监测范围小、工作量大、效率低、投入大，无法保证监测数据的长期稳定性与准确性。光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀、耐久性长、测量范围广、便于铺设安装等特点，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小；光纤本身既是传感介质又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测。

目前传统的传感光缆主要分为两类，一类为紧套结构的传感光缆，主要用于规则物体的应力应变监测，缺点是监测范围小、易受环境影响；第二类为冗余结构的传感光缆，主要用于复杂结构物、复杂环境的监测，缺点是监测灵敏度低。

发明内容

针对现有技术问题，本发明的目的在于提出一种用于结构物安全监测的高灵敏度宽量程应力应变传感光缆及其监测方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高灵敏度宽量程应力应变传感光缆，包括外护层和插设在所述外护层内的绞合结构加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元。

优选的，所述绞合结构加强构件用于控制测试灵敏度，半紧套传感单元用于精密监测，松套传感单元用于增加应力应变传感光缆量程。

优选的，所述绞合结构加强构件的绞合节径比范围在40～100之间；绞合元件数量为2～7根，单根元件的直径为0.4～1.2mm，绞合形式为同心绞合。

优选的，所述半紧套传感单元由内及外依次为1-4根第一传感光纤、阻水材料和光纤束管；所述松套传感单元由内及外依次为4-12根第二传感光纤、阻水材料、PBT松套管和外铠装层。

优选的，松套传感单元中的第二传感光纤的余长范围为应力应变传感光缆长度的0.2％～0.5％。

优选的，第二传感光纤的监测范围的下限值大于第一传感光纤的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤的监测范围的上限值，第二传感光纤的监测范围的上限值大于第一传感光纤的监测范围的上限值。

优选的，所述加强构件、半紧套传感单元和松套传感单元平行放置。

高灵敏度宽量程应力应变传感光缆的监测方法，包括：当应力应变传感光缆受力发生应变时，首先半紧套传感单元内的第一传感光纤监测应变；在该工作阶段，松套传感单元内的第二传感光纤因存在余长并未发生应变，而绞合结构加强构件随着应力应变传感光缆的受力逐渐伸展；第二传感光纤的监测范围的下限值大于第一传感光纤的监测范围的下限值且小于或等于第一传感光纤的监测范围的上限值，第二传感光纤的监测范围的上限值大于第一传感光纤的监测范围的上限值；当半紧套传感单元内的第一传感光纤在其监测范围内或到达监测范围上限时，松套传感单元内的第二传感光纤余长正好被应变所抵消，松套管传感单元内的第二传感光纤没有余长之后，开始监测应变。

优选的，第一传感光纤的应变监测范围为0～0.5％，第二传感光纤的应变监测范围为0.3％～1.0％。

优选的，绞合结构加强构件在第一传感光纤监测范围内，随着应力应变传感光缆的受力而逐渐伸展，但不承受应力应变传感光缆承受的主要作用力；在第二传感光纤的监测范围内，绞合加强构件随着应力应变传感光缆的受力逐渐伸展达到极限，且开始承受应力应变传感光缆承受的主要作用力。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

在结构物变化初期都会发生极微小的应力应变，普通传感光缆由于本身余长和加强构件的原因并不易检测出这些微小应力应变，而本发明的传感光缆的一个特点就是采用绞合结构加强构件，增加半紧套传感单元传感光纤的应力应变灵敏度，因绞合结构加强构件使传感光缆存在着拉伸窗口，在该拉伸窗口范围内传感光缆受力时加强构件非主要受力部分，提高了传感光缆本身的应力应变灵敏度，故而提高了半紧套传感单元内传感光纤的应力应变灵敏度。通过调节加强构件的绞合节径比范围（40～100），可以改变传感光纤的高灵敏度的测试范围（0.05％～0.3％）。

本发明通过调节松套传感单元内传感光纤的余长范围，结合半紧套传感单元的监测范围，增加了传感光缆整体的监测范围。

应力应变传感光缆工作分为两个阶段，半紧套传感单元工作阶段和松套传感单元工作阶段。