[发明专利]碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种基于光频域反射技术的碳纤维增强型智能钢绞线及预应监测装置及方法。

背景技术

随着我国国民经济的持续发展，大型基础设施的投入比重逐年增大。然而对于一些大型的基础设施，其结构多为混凝土结构。对于混凝土结构设施，由钢绞线构成的预应力钢丝是非常重要的，它提供必要的预应力来平衡外部荷载对结构产生的作用。在预应力混凝土结构中，预应力钢丝一般处于高应力条件下，它的性能对预应力混凝土结构的安全性和耐久性有着显著的影响。预应力损失会降低混凝土构件的抗裂性和刚度，严重时导致构件发生开裂，持续下挠现象，还会对耐久性产生严重影响，造成安全隐患。

光频域反射技术(OFDR，Optical Frequency Domain Reflectory)凭借其具有非接触损伤、信号噪声小、响应速度快、测量范围大、信噪比高、受光强变化影响等优点，得到了广泛的研究和应用。该技术采用高相干激光器进行高速和线性波长扫描，利用参考臂上由法拉第反射镜反射的光与单模光纤背向散射光进行干涉。由于二者的光程不同，干涉端实际上是不同频率两束光进行干涉，形成拍频。通过探测不同的拍频信号，就可以探测传感光纤不同位置的背向瑞利散射信息。

光纤中的瑞利散射是由光纤本身折射率随机变化导致的，而散射的振幅又是测试距离的函数。由于光纤中存在这种比较稳定的随机分布的性质，所以光纤可以看做是一种较长的具有随机周期的弱光纤布拉格光栅。而当受到外界应力刺激时，光纤的背向瑞利散射信号的光谱就会发生漂移，其漂移量的大小与光纤所受的应变成正比。通过检测光纤的背向瑞利散射信号的光谱漂移量，就可以计算得到光纤所受应变的分布信息。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法，提出了一种智能钢绞线结构，并且基于光频域反射技术实现了利用前述智能钢绞线结构的预应力监测装置，以及提出了一种预应力监测方法。

本发明公开了一种用于预应力监测的碳纤维增强型智能钢绞线，该智能钢绞线的组成结构包括智能传感筋1和金属箔片4和碳纤维丝5；其中：智能传感筋1包括单模光纤2和轻铠光缆3，单模光纤2为监测智能钢绞线的应变状态的传感元件，具有紫外光涂层；轻铠光缆3为在一束的单模光纤2外紧附的多芯紧套材料；金属箔片4用高延性金属箔片作为粘结介质，紧贴在智能传感筋1和碳纤维丝5之间，以保持智能传感筋1和外层碳纤维丝5之间的协同变形；碳纤维丝5作为受力构件，由碳纤维丝螺旋状绞合而成，并紧贴在金属箔片4上，对其进行拉伸或压缩，使之产生应变。

本发明还提出了一种采预应力监测装置，该应变监测装置包括可调谐激光器6、1:99光分束器7、基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统23、基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统24、采集和处理装置22以及应力产生装置18；所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统23包括第一环形器8、第一50:50耦合器9、第一法拉第旋转镜11、第二法拉第旋转镜12、延迟光纤10和第一平衡探测器13，用于实现等光频间距采样，抑制光源的非线性扫描；所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统24包括第二50:50耦合器14、第三50:50耦合器17、偏振控制器15、第二环形器16、第二平衡探测器18；所述1:99光分束器7还包括两个端口，即第一光分束端口71、第二光分束端口72和第三光分束端口72；第一环形器8还包括两个端口，即第一环行器端口一81和第一环行器端口二82；第二环形器16还包括三个端口，即第二环行器端口一161、第二环行器端口二162和第二环行器端口三163；第一50:50耦合器9还包括四个端口，即第一50:50耦合器端口一91、第一50:50耦合器端口二92、第一50:50耦合器端口三93和第一50:50耦合器端口四94；第二50:50耦合器14还包括四个端口，即第二50:50耦合器端口一141、第二50:50耦合器端口二142、第一50:50耦合器端口三143和第二50:50耦合器端口四144；三一50:50耦合器17还包括四个端口，即第三50:50耦合器端口一171、第三50:50耦合器端口二172、第三50:50耦合器端口三173和第三50:50耦合器端口四174；其中：

所述可调谐激光器6的出射光由所述1:99光分束器7的第一光分束端口71进入，并以1:99的比例分别从所述1:99光分束器7的第二光分束端72和第三光分束端口73分配到所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统23和所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统24；