碳纤维增强型智能钢绞线、预应力监测装置及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]光频域反射技术(OFDR，OpticalFrequency 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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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I和金属箔片4和碳纤维丝5 ;其中:智能传感筋I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I和碳纤维丝5之间，以保持智能传感筋I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。
[0007]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親合器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:
[0008]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 ;
[0009]在所述基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统23中:一路自1:99光分束器7的光从第一 50:50親合器9的第一親合端口进入，从第一 50:50親合器9的第一 50:50串禹合器端口二 92和第一 50:50耦合器端口三93出射，分别被设置于基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统18的两臂的第一法拉第旋转镜11和第二法拉第旋转镜12反射，并返回到第一 50:50親合器9的第二親合端口和第三親合端口，两束光在第一 50:50親合器9中发生干涉，从第一 50:50親合器9的第一親合器端口一 91和第二親合器端口二(92)输出；第一50:50親合器4第一親合端口返回的干涉光从第一环形器8的第一环形器端口二 82进入，再从第一环形器端口二 83输出；延迟光纤10设置于第二法拉第旋转镜12的输入光路上，用于实现非等臂的拍频干涉；第一平衡探测器13用于将基于迈克尔逊干涉仪的外时钟触发系统23产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置22 ;
[0010]在所述基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统24中:另一路来自1:99光分束器7的光从第二 50:50耦合器14的第二 50:50耦合器端口一 141进入，经过第二 50:50耦合器端口二 142进入偏振控制器15，以及经过第二 50:50耦合器端口三143进入测试臂上的第二环形器16的第二环形器端口一 161 ;光从第二环形器16的第二环形器端口一 161进入智能钢绞线19中的传感光缆20，而传感光缆20的背向散射光从第二环形器16的第二环形器端口一 161进入，从第二环形器端口二 162输出；从偏振控制器15和第二环形器端口二162输出的背向散射光通过第三50:50耦合器17的第三50:50耦合器端口一 171和第三50:50耦合器端口二 172进入该第三50:50耦合器17进行合束，形成拍频干涉并从第三50:50耦合器12的第三50:50耦合器端口三173和第三50:50耦合器端口四174输出；第二平衡探测器18:用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统19产生的光信号转换为电信号，第二平衡探测器18用于将基于马赫曾德干涉仪的主干涉仪系统25产生的光信号转换为电信号，并输出至采集和处理装置22 ;应力产生装置21反复加载，产生对智能钢绞线19的拉应力或压应力。
[0011]以及，本发明再提出了一种预应力监测方法，包括以下步骤:
[0012]步骤一、利用所述预应力监测装置进行两次对智能钢绞线中单模光纤背向瑞利散射信号的测量，得到两个信号，即静态背向瑞利散射参考信号和应力刺激下的背向瑞利散射信号；
[0013]步骤二、对上述两组信号进行快速傅里叶变换，使主干涉信号从波长域转换为距离域；
[0014]步骤三、采用一个移动窗对整个光缆的本地距离域信息进行扫描，得到整个光缆的本地的距离域信息，且将整个距离域信息划分为不同位置的等长度背向散射信号；
[0015]步骤四、同时对两组信号中相同位置的信号做逆傅里叶变换，使之恢复为光频域信号;
[0016]步骤五、依次对每个位置的光频域信号作互相关运算，发生光谱漂移的位置即为存在应变的位置，而不存在光谱漂移的位置则可以认为是没有应变发生的位置；
[0017]步骤六、计算光缆中各个位置的瑞利散射光谱漂移量，即可标定对应位置处所受的应变大小；
[0018]步骤七、得到光缆中各个位置的应变分布信息。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果