结构弯曲的分布式测量系统技术方案

本发明专利技术涉及用于对结构的轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量的系统，包括至少一个为这些轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备（１０），以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其中每个设备包括圆柱性加强件（１１），用于支撑其周围至少３条局部平行于该加强件轴线的光纤（１２），而且其中该处理装置提供了用于对来自诸光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于结构的弯曲的分布式测量系统，它包括为这种测量配备的线状缆形设备和用于处理由上述设备生成的测量信号的装置。
技术介绍
在土木工程建筑(楼宇、桥梁、道路、铁路路轨等)领域，不均匀沉降、甚至无法预料的坍塌(局部坍塌)能够引起严重的地面和地下事故，并且导致极高的维修费用。这类事件可能是由于存在天然或人为空腔(矿山、隧道等)，这些空腔未曾进行标记，或者即使已经知道，也不够坚固而且负载过大。公共建设工程公司需要拥有适用于现有结构(或在建结构)的测量系统，该系统能够监测地面沉降(空间上沿水平面的)的准确变化，并在出现标志局部坍塌的断裂时触发报警。这种测量系统(与地面接触)的敏感部件应当能够很容易地经由小直径的隧道(以尽可能非侵入的方式)安装到现有结构之下，以便不干扰上述结构的稳定性。这个敏感部件也应当能够(譬如说，以直径通常为1至2米的绳股方式)进行运输并安装到测量现场而不会有太多麻烦。对沉降的希望分辩率应当在毫米数量级或更小，以便能够预测更显著的未来退化方式。要加以测量的区域的延伸长度随应用场合而变，应当在几十到几百米之间，有时会更长。当前存在一些能够在被认为是典型土木工程结构的场所进行特殊测量、从而能够获得地下特性信息的常用测量装置，如经纬仪、倾角仪、应变仪、LVDT(线性差动变压器)传感器。这些(间接)装置不能准确获悉地面沉降的精确特性。人们也实施了其他用于测量坍塌的方法，譬如在填充水银的测试隧道中的一组远程压力传感器。分布式压力测量能够获得相对于该区域之外的基准点的高度变化。不过，这些方法在精确度方面不是十分有效，也不够快速，而且因为它们需要使用人力，所以实现起来花费很大。还存在弯曲或曲率传感器。先有技术文献(说明书后的参考文献)描述光纤弯曲或曲率传感器，它测量受弯光纤的、成波状的或变形区域的光损耗。在穿过这种波状区域的径向平面上发生弯曲时，射到该光纤的部分光线在向外的方向上发生正比于弯曲大小的损耗。这时，测量光线损失的比例，就能够由此推算曲率半径，或者一个结构相对于另一个结构的旋转角度。在曲率方向未知的情况下，可以采用三光纤系统，该系统的各个光纤彼此之间相隔120°，成“玫瑰花”型排列。测量3个光线传输系数就能够推算曲率半径在光纤横截面上的两个主要分量以及这些主曲率相对位于要测量的结构上的传感器的位置的方向。在这份文献中，没有对温度灵敏度加以监测。这样就导致它在气候条件无法控制的室外使用中的实际困难。而且，这种传感器需要的光纤数目与测点数目相同(每根光纤一个测点以避免含混)，所以在有大量测点时，接线变得很困难而且花费太大。另外，与期望的情况不同，该测量原理没有提到对能够使测量失真的光强度波动进行补偿的方法。实际上，任何光损耗，不管其来源如何，都能够间接归因于曲率变化。这种波动可能由于连接问题、粘合连接点的老化、沿测量光纤的微小弯曲等等引起。另外，因为必须逐一校准传感器而且该设定值能够随时间变化(理由同上)，所以必须定期重新校准传感器，这样做费用很高，而且在现场经常并不切实可行，特别是该结构在地下被密封的情况。本专利技术的目的是通过提供结构曲率的分布式测量系统来克服上述缺点，该系统包括至少一个为这种测量配备的线状缆形设备以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，它能够执行只有少量侵入(intmsivité)的测量，譬如已有或在建土木工程基础设施之下的地面沉降，从而能够在不管其扭曲状态的情况下定位坍塌并确定沿其轴向的拉力分布。
技术实现思路
本专利技术涉及结构轴向变形和弯曲的分布式或分散式测量系统，它包括至少一个为这些轴向及弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其特征在于，每个设备包括圆柱形加强件，它支撑其周围至少三根局部平行于该加强件轴线的光纤，而且其中该处理装置提供了对来自这些光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。根据第一种测量原理，每根光纤具有至少一个布雷格光栅变换器(transducteur àréseau de Bragg)，其中该处理装置允许进行分布式测量，而且该多路传输装置是波长多路传输装置。根据第二种测量原理，该处理装置允许进行由布里渊(Brillouin)反射计方法实现的分散式测量。在优选实施例中，这些光纤被排列在至少三个在该加强件边缘形成的凹槽中。优选地，上述系统包括至少一根能够执行温度自补偿的附加光纤，它能够包含沿其整个长度分布的布雷格光栅。这根附加光纤能够被自由地插入低摩擦塑料细管。优选地，该设备包括外壳。优选地，该加强件通过玻璃环氧酯或玻璃乙烯酯类型复合材料的挤拉成型方法获得。优选地，金属扣件能够压扣在该加强件上。这些光纤能够通过将该测量值传送到该处理装置的多股光缆再集合到一起。在另一个优选实施例中，该加强件由定位纤维制品构成。该设备包括7根具有相同半径的、以六角形方式自定位的纤维制品，上述纤维制品中在该加强件周围以120°间隔分布的三根是光纤。这些纤维制品能够外涂聚合物胶，或者用细管固定。如果该加强件是光纤，那么至少能够在其上刻印布雷格光栅，以便允许进行温度补偿。本专利技术的系统可以包括在有关结构之下以非侵入方式、通过能够在安装之后加以回填的隧道按照不同位置并根据不同角度方向进行排列的多个设备。由施工引起的以及在该结构使用期限内的地面沉降由该设备上(与地面的摩擦引起)的拉力以及局部曲率的变化显示，这些能够通过该设备所承受的局部变形直接加以测量。本专利技术的设备能够(沿整个轴)测量由其轴向拉力引起的变形以及弯曲引起的变形(曲率半径、弯曲面的方向)的分布情况，从而能够计算自安装以来产生的沉降。多项测量技术可以被应用于光纤，这些技术根据它们是连续的(分散式的)或特定点的(分布式的)而加以区分。用于分布式测量(在位于沿该缆线的不同位置的多个点上进行的测量)的各种方法可以被设想用来装备本专利技术的设备。布雷格光栅变换器是工业中最常用的传感器，特别是在土木工程部门。白光干涉仪传感器(“白光干涉测量法”)能够被用作粘合到或附接到需要检测其变形的结构的表面的应变仪。与单色光干涉仪不同，这些传感器在重新连接后不需要重新校准。其他传感器，譬如法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪型传感器，不允许沿同一根光纤进行多路传输，因为它们靠光纤端面反射来工作。而且，它们常常采用光源的整个光谱宽度以便使相干性长度最小从而改进空间分辨率。所以，它们在光栅中必须按照平行机制(通过光学开关)加以排列。分散式测量(即沿该设备的连续测量)也可以采用参考文献中所述的布里渊反射计方法(“布里渊光学时域反射计”，B-OTDR)进行。这种方法越来越多地得到应用，因为它能够测量施加到光纤的轴向变形以及它的温度。但是，B-OTDR系统价格很高，它只允许进行要做的静态测量(响应时间在几分钟和几小时之间变化)。而且，变形测量的精度为100毫米/米的数量级，其效果只在布雷格光栅的20分之一到100分之一之间。不过，对布雷格光栅变换器数目很大(超过200)的长缆线而言，这种分辨率仍然具有竞争力。本专利技术的系统具有如下优越功能—它能够对超过百米(甚至千米)距离的、连接到地下的设备的整体弯曲状态做分布式测量，而且能够确定有关基础设施之下的沉降变化(米级空间精度和毫米级深度精度)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于结构的轴向和弯曲变形的分布式或分散式测量的系统，包括至少一个为这些轴向和弯曲变形进行分布式或分散式测量而配备的线状设备（１０），以及用于处理由上述设备生成的测量信号的装置，其特征在于，每个设备包括圆柱形加强件（１１），用于支持其周围至少３条局部平行于该加强件轴线的光纤（１２），而且，该处理装置提供了用于对来自光纤的信号进行谱分或时分多路传输的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：西尔万马涅，皮埃尔费迪南，
申请(专利权)人：原子能委员会，
类型：发明
国别省市：FR[法国]