基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法制造方法及图纸

基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法，属于混凝土裂缝监测技术领域。所述塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置、光纤环形器、光开关、监测单元、光电探测器、控制单元和数据处理单元；控制单元与光脉冲发射装置电连接，光脉冲发射装置与光纤环形器通过光纤相连，光纤环形器与光开关通过光纤相连，监测单元包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤和第二塑料光纤，两根塑料光纤均与光开关相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线上，且两根塑料光纤相对于所述直线互相对称，光纤环形器与光电探测器电连接，光电探测器与数据处理单元电连接。

Plastic Optical Fiber Crack Monitoring Device and Method Based on Optical Time Domain Reflection

The plastic optical fiber crack monitoring device and method based on optical time domain reflection belong to the technical field of concrete crack monitoring. The plastic optical fiber crack monitoring device comprises an optical pulse transmitter, an optical fiber ring, an optical switch, a monitoring unit, a photoelectric detector, a control unit and a data processing unit; the control unit is electrically connected with the optical pulse transmitter, the optical pulse transmitter is connected with the optical fiber ring transmitter, the optical fiber ring transmitter and the optical switch are connected with the optical fiber, and the monitoring unit includes two plastic parts. The material optical fibers are the first plastic optical fibers and the second plastic optical fibers respectively. Both plastic optical fibers are connected with optical switches. Each plastic optical fibers are arranged in a zigzag line on the surface of concrete structure or inside concrete structure. There are many intersections between the two plastic optical fibers, and many intersections are located in a straight line. The two plastic optical fibers are symmetrical with each other relative to the straight line. The device is electrically connected with the photoelectric detector, and the photoelectric detector is electrically connected with the data processing unit.

【技术实现步骤摘要】
基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法
本专利技术涉及混凝土裂缝监测
，特别涉及一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置及监测方法。
技术介绍
混凝土结构在建设和使用过程中出现裂缝是一种普遍现象，裂缝发展到一定程度，会加重混凝土碳化并降低其抗渗性能，进而破坏结构的整体性和安全性。作为评估裂缝危害性的重要手段，结构裂缝监测对保障结构安全具有重要意义。目前裂缝监测技术主要有声发射法、超声波法和探地雷达法等，其中声发射法和超声波法需要异常灵敏的传感头，并易于受环境干扰的影响，且测试深度也有限；探地雷达法会受强电场的干扰，因此其使用场合会受到限制，测量误差会较大，且目前的裂缝监测方法只能进行定性监测，确定出裂缝的大概位置，无法测量裂缝的开度，同时，也只能进行单点测量，不能实现实时在线测量。混凝土结构在出现裂缝时，裂缝的开展往往呈现出时空随机性、隐蔽性等特征，因此，除了裂缝的位置外，裂缝的扩展情况也极为重要，若能及时的监测出裂缝的具体位置、开度以及开展方向，则可以及时的对出现裂缝的混凝土结构进行补修，避免安全事故的发生，但是目前的监测技术无法测量出裂缝的开度和开展方向，难以实现对裂缝开度的发展过程的动态监测。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，所述塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置、光纤环形器、光开关、监测单元、光电探测器、控制单元和数据处理单元；控制单元与光脉冲发射装置电连接，光脉冲发射装置与光纤环形器的第一端通过光纤相连，光纤环形器的第二端与光开关通过光纤相连，监测单元包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤和第二塑料光纤，两根塑料光纤均与光开关相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线上，且两根塑料光纤相对于所述直线互相对称，光纤环形器的第三端与光电探测器电连接，光电探测器与数据处理单元电连接，控制单元还与所述数据处理单元电连接。所述光脉冲发射装置包括脉冲发生器和激光二极管；所述控制单元与脉冲发生器相连，脉冲发生器与激光二极管相连；所述控制单元能够控制脉冲发生器发出脉冲，脉冲发生器发出的脉冲能够驱动激光二极管产生光脉冲。所述基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置还包括放大器，放大器的输入端与所述光电探测器的输出端电连接，放大器的输出端与所述数据处理单元电连接。所述两根塑料光纤的夹角为30°～60°。所述基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的监测方法，所述监测方法包括：S1、所述控制单元控制所述光脉冲发射装置产生光脉冲，光脉冲通过所述光纤环形器和所述光开关进入所述监测装置的两根塑料光纤中；S2、所述光电探测器通过所述光纤环形器分别接收两根塑料光纤中的光信号，并分别将两根塑料光纤中的光信号转换成电信号；S3、所述数据处理单元接收所述电信号，并根据所述电信号分别得到每根塑料光纤对应的背向散射曲线；S4、根据所述背向散射曲线得到裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值，根据两根塑料光纤在混凝土中的布设位置，及所述背向散射曲线上的菲涅尔反射事件点得到混凝土中裂缝的开展方向；S5、根据混凝土中裂缝的开展方向及两根塑料光纤的夹角大小，得到和裂缝相交的塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式；S6、所述数据处理单元内存储有塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式，将S4中得到的所述裂缝与塑料光纤交点处的光损耗值、及S5中得到的所述塑料光纤与裂缝形成的夹角关系式，带入所述塑料光纤与裂缝的夹角、光损耗值及裂缝开度这三者的关系式中，得到裂缝的开度。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出了基于塑料光纤光时域反射技术的混凝土结构裂缝监测技术，将塑料光纤粘贴于混凝土结构表面或埋设到结构内部，通过监测裂缝发生部位塑料光纤返回的背向散射光的菲涅尔反射和光损耗即可确定裂缝的位置、开展方向和宽度。该技术方案利用了低成本的塑料光纤，其具有良好韧性，抗电磁干扰等优良特性，量程大，精度高，可实现实时在线监测和远程遥测。无需裂缝开展先验信息，无需操作人员临近测量，且制作简单，安装方便。附图说明图1是本专利技术的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的结构示意图；图2是本专利技术的裂缝与监测单元的三种相交关系的示意图；图3是本专利技术示出的监测单元中的一根塑料光纤对应的背向散射曲线的示意图；图4是本专利技术中的监测单元在混凝土拱坝中的布置示意图。其中，1光脉冲发射装置，2光纤环形器，3光开关，4监测单元，5光电探测器，6控制单元，7数据处理单元，8第一塑料光纤，9第二塑料光纤，10两根塑料光纤的多个交点所在直线，11脉冲发生器，12激光二极管，13放大器。具体实施方式为了解决现有的裂缝监测技术无法测量裂缝的开展方向和开度的问题，如图1至图4所示，本专利技术提供了一种基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，该塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置1、光纤环形器2、光开关3、监测单元4、光电探测器5、控制单元6和数据处理单元7；控制单元6与光脉冲发射装置1电连接，光脉冲发射装置1与光纤环形器2的第一端通过光纤相连，光纤环形器2的第二端与光开关3通过光纤相连，其中，连接光纤环形器2和光开关3的光纤可以采用塑料光纤，监测单元4包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤8和第二塑料光纤9，两根塑料光纤均与光开关3相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线10上，且两根塑料光纤相对于该直线10互相对称，光纤环形器2的第三端与光电探测器5电连接，光电探测器5与数据处理单元7电连接，控制单元6还与数据处理单元7电连接，能够控制数据处理单元7工作。其中，光脉冲发射装置1包括脉冲发生器11和激光二极管12；控制单元6与脉冲发生器11相连，脉冲发生器11与激光二极管12相连；控制单元6能够控制脉冲发生器11发出脉冲，脉冲发生器11发出的脉冲能够驱动激光二极管12产生光脉冲。在本专利技术中，基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置还包括放大器13，放大器13的输入端与光电探测器5的输出端电连接，放大器13的输出端与数据处理单元7电连接，放大器13能够对光电探测器5输出的电信号进行放大。优选地，在本专利技术中，两根塑料光纤的夹角为30°～60°。本专利技术中的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置的监测方法包括：S1、控制单元6控制光脉冲发射装置1产生光脉冲，光脉冲通过光纤环形器2和光开关3进入监测装置的两根塑料光纤中；具体地，控制单元6发送控制信号给光脉冲发射装置1，使光脉冲发射装置1根据控制信号发出脉冲，该脉冲驱动激光二极管12产生光脉冲，光脉冲通过光纤及光纤环形器2的第一端进入光纤环形器2内，并通过光纤环形器2的第二端和光开关3分别进入监测单元4的两根塑料光纤中，并在两根塑料光纤中进行传输。S2、光电探测器5通过光纤环形器2分别接收两根塑料光纤中的光信号，并分别将两根塑料光纤中的光信号转换成电信号；光脉冲在两根塑料光纤传输的过程中，会产生背向散射光，若混凝土产生裂缝，裂缝会使得塑料光纤发生微小的局部变形，影响光脉冲的传输，因此光脉冲在光纤变形处会产生菲涅尔反射光，背向散射光和菲涅尔反射光通过光纤环形器2的第三端进入光电探测器5，光电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，其特征在于：所述塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置、光纤环形器、光开关、监测单元、光电探测器、控制单元和数据处理单元；控制单元与光脉冲发射装置电连接，光脉冲发射装置与光纤环形器的第一端通过光纤相连，光纤环形器的第二端与光开关通过光纤相连，监测单元包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤和第二塑料光纤，两根塑料光纤均与光开关相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线上，且两根塑料光纤相对于所述直线互相对称，光纤环形器的第三端与光电探测器电连接，光电探测器与数据处理单元电连接，控制单元还与所述数据处理单元电连接。

【技术特征摘要】
1.基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，其特征在于：所述塑料光纤裂缝监测装置包括光脉冲发射装置、光纤环形器、光开关、监测单元、光电探测器、控制单元和数据处理单元；控制单元与光脉冲发射装置电连接，光脉冲发射装置与光纤环形器的第一端通过光纤相连，光纤环形器的第二端与光开关通过光纤相连，监测单元包括两根塑料光纤，分别为第一塑料光纤和第二塑料光纤，两根塑料光纤均与光开关相连，每根塑料光纤均呈波折线形布置在混凝土结构表面或者混凝土结构内部，两根塑料光纤存在多个交点，且多个交点位于一条直线上，且两根塑料光纤相对于所述直线互相对称，光纤环形器的第三端与光电探测器电连接，光电探测器与数据处理单元电连接，控制单元还与所述数据处理单元电连接。2.根据权利要求1所述的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，其特征在于：所述光脉冲发射装置包括脉冲发生器和激光二极管；所述控制单元与脉冲发生器相连，脉冲发生器与激光二极管相连；所述控制单元能够控制脉冲发生器发出脉冲，脉冲发生器发出的脉冲能够驱动激光二极管产生光脉冲。3.根据权利要求1所述的基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置，其特征在于：所述基于光时域反射的塑料光纤裂缝监测装置还包括放大器，放大器的输入端与所述光电探测器的输出端电连接，放大器的输出端与所述数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：包腾飞，李涧鸣，高瑾瑾，李慧，曹恩华，朱茜，朱征，刘甲奇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32