基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统及方法技术方案

一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，包括光源、光分路器、光环形器、通信光纤、光纤光栅阵列传感光缆、消除光纤端面反射装置、信号解调仪、数据处理单元与PC机，光源通过光分路器与光环形器第一端口连接，光环形器第二端口依次经通信光纤、光纤光栅阵列传感光缆后与消除光纤端面反射装置连接，光环形器第三端口依次经信号解调仪、数据处理单元后与PC机连接，光纤光栅阵列传感光缆采用立体网格化布置在大体积混凝土中，光纤光栅阵列传感光缆包括光纤保护套、受力光纤与免应力光纤，免应力光纤通过环氧结构胶固定在受力光纤上，免应力光纤上位于相邻两个固定胶化点之间的部位设置有光栅，光栅设置有编码。本设计监测精准度高。准度高。准度高。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感技术监测领域，尤其涉及一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统及方法，主要适用于提高监测准确度。

技术介绍

[0002]近年来随着计算机技术、通信技术、传感检测等技术的不断发展，利用计算机物联网进行自动健康检测已经成为目前大体积混凝土温度监测与控制所采取的方法之一。大体积混凝土在施工期间，一方面由于水泥的化学反应引起混凝土内部温度升高，产生内外温差，在混凝土表面产生了很大的温度应力，导致混凝土裂缝；另一方面由于外界气温的变化引起了混凝土内外温差，也将使混凝土表面产生很大的温度应力，致使混凝土开裂。为了掌握混凝土浇筑后导致的温度变化，应在混凝土施工期进行温度监测，测量混凝土不同部位温度的变化，为了避免混凝土内部温度过大，及时采取补救措施；当混凝土温度远低于温控标准时，则可减少温控措施，避免浪费。因此，温度的控制及监测对大体积混凝土的运用寿命及建筑的稳定度有很大的影响。
[0003]目前，对大体积混凝土温度监测与控制的主要方法是添加缓凝型高效减水剂，保持一定的水灰比，采取冷却内外循环水管降温措施，采用分层浇筑为主覆膜和喷水相结合的保护措施，以及在混凝土表面、中部和内部设置温度监测点以监测温度。这些方法的优点是能有效地监测和控制大体积混凝土的温度，方法比较简单；这些方法的缺点是实施过程繁琐，造成大量人力物力的浪费，由于无法全面监测，所以对温度监测和控制的精度不高。大体积混凝土测温方法还有热电偶测温、数字温度传感器测温、红外测温、热敏电阻测温、无源射频识别(RFID)传感器测温、分布式光纤传感器测温、MEMS(Microelectro Mechanical Systems)传感器测温以及光纤光纤光栅传感器测温等。热电偶测温虽然精度较高，但是布线复杂且成本高，不适合用于大体积混凝土测温，通常适用于样品测温；数字温度传感器的优点是功耗低、抗干扰能力强和测量精度高，但是它在测量混凝土温度时还需和其它模块配合使用，系统结构复杂，数字温度传感器是点式传感器，无法做到对混凝土的全面监测，使用起来成本较高；红外测温的优点是可以实现远距离、非接触、大面积和多目标测温，测温精度高，但是红外测温无法测量大体积混凝土内部温度，不能用于大体积混凝土内部温度的监测；热敏电阻虽然测量精度高，但是其抗干扰能力和稳定性差，由于它是点式传感器，无法精准的测量混凝土的温度；PFID传感器的优点是便利性强、成本低寿命长，但是它精度不高，这种传感器是基于电磁波传输信号的，具体使用时还需注意混凝土中的湿度、金属、频率、射频波的入射角等因素，不能当作通用方法，需要具体情况具体分析；分布式光纤传感器可以实现对混凝土的全面监测，但是其精度不高，信号解调困难；MEMS传感器的优点是成本低、工作温度范围大可实现无人监测，但是MEMS传感器的缺点是无法定位到混凝土温度巨变的具体位置，使用期间需要供电和通过无线传输信号的方式易受干扰从而使其长期稳定性差。光纤光栅传感器测温精度高、响应快、测量准确，但在进行大体积混凝土测温时却需要对光纤光栅传感器进行组网，降低信号的信噪比，信号解调困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的监测准确度低的缺陷与问题，提供一种监测准确度高的基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统及方法。
[0005]为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，包括光源、光分路器、光环形器、通信光纤、光纤光栅阵列传感光缆、消除光纤端面反射装置、信号解调仪、数据处理单元与PC机，所述光源与光分路器的输入端连接，光分路器的输出端口与光环形器的第一端口连接，光环形器的第二端口通过通信光纤与光纤光栅阵列传感光缆的首端连接，光纤光栅阵列传感光缆的尾端与消除光纤端面反射装置连接，所述光环形器的第三端口与信号解调仪连接，信号解调仪与数据处理单元连接，数据处理单元与PC机连接，所述光纤光栅阵列传感光缆采用立体网格化布置在大体积混凝土中，光纤光栅阵列传感光缆包括光纤保护套及套设在其内的受力光纤、免应力光纤，所述免应力光纤通过环氧结构胶固定在受力光纤上，相邻两个固定胶化点之间的免应力光纤的长度大于或等于受力光纤长度的101％，免应力光纤上位于相邻两个固定胶化点之间的部位设置有光栅，光栅设置有编码。
[0006]所述光纤光栅阵列传感光缆的数量为三根，三根光纤光栅阵列传感光缆分别沿大体积混凝土的X轴、Y轴、Z轴埋设。
[0007]所述光栅为弱光栅，多个弱光栅等间距分布构成光栅阵列，相邻两个弱光栅之间的物理间距为1m，弱光栅的反射率为0.1％。
[0008]所述光栅阵列采用时分复用和空分复用的混合复用方式。
[0009]所述免应力光纤在拉丝过程中完成光栅的刻写和涂覆。
[0010]所述信号解调仪采用波长解调技术。
[0011]所述数据处理单元包括数据采集装置、温度
‑
波长换算算法和数据库；
[0012]所述数据采集装置与信号解调仪连接，用于采集并上传数据；
[0013]所述温度
‑
波长换算算法，用于将波长变化换算为温度变化，并将温度变化与阈值温度进行对比判断，以及将判断结果传输给PC机；
[0014]所述数据库，用于存储大体积混凝土的海量温度变化信息以及分析大体积混凝土温度变化的具体特征。
[0015]所述PC机上设置有上位机，所述上位机，用于当大体积混凝土温度变化超过规范要求时报警，并打开大体积混凝土中水管阀进行大体积混凝土降温，显示出数据处理单元处理完后的数据，根据光栅编码计算出温度发生变化的具体位置。
[0016]一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测方法，用于上述所述的基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，所述监测方法包括以下步骤：
[0017]S1、将光纤光栅阵列传感光缆放入恒温箱中，恒温箱中的温度依次增加，得出光栅的中心波长随温度的变化情况，并画出每个光栅的温度
‑
波长变化关系图，求出每个光栅温度
‑
波长变化的相关系数，观察光栅中心波长变化和温度关系的线性度，求出温度
‑
波长变化曲线的斜率，取斜率的平均值为温度灵敏度系数K
T
；
[0018]S2、浇筑混凝土，固定好光纤光栅阵列传感光缆，并通过通信光纤、光环形器将光纤光栅阵列传感光缆连接于信号解调仪，对大体积混凝土进行实时测量，通过信号解调仪解调出各个光栅的波长，计算出光栅的波长变化Δλ
B
：
[0019][0020]式中，为解调出的光栅中心波长，为光栅的初始波长，K
T
为温度灵敏度系数，ΔT为温度变化量；
[0021]S3、数据处理单元根据光栅的波长变化Δλ
B
与温度灵敏度系数K
T
计算得到温度变化量T，即：
[0022][0023]S4、PC机根据光栅编码计算出温度发生变化的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于，包括光源(1)、光分路器(2)、光环形器(3)、通信光纤(4)、光纤光栅阵列传感光缆(5)、消除光纤端面反射装置(6)、信号解调仪(7)、数据处理单元(8)与PC机(9)，所述光源(1)与光分路器(2)的输入端(21)连接，光分路器(2)的输出端口(22)与光环形器(3)的第一端口(31)连接，光环形器(3)的第二端口(32)通过通信光纤(4)与光纤光栅阵列传感光缆(5)的首端连接，光纤光栅阵列传感光缆(5)的尾端与消除光纤端面反射装置(6)连接，所述光环形器(3)的第三端口(33)与信号解调仪(7)连接，信号解调仪(7)与数据处理单元(8)连接，数据处理单元(8)与PC机(9)连接，所述光纤光栅阵列传感光缆(5)采用立体网格化布置在大体积混凝土(10)中，光纤光栅阵列传感光缆(5)包括光纤保护套(51)及套设在其内的受力光纤(52)、免应力光纤(53)，所述免应力光纤(53)通过环氧结构胶固定在受力光纤(52)上，相邻两个固定胶化点(54)之间的免应力光纤(53)的长度大于或等于受力光纤(52)长度的101％，免应力光纤(53)上位于相邻两个固定胶化点(54)之间的部位设置有光栅(55)，光栅(55)设置有编码。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感光缆(5)的数量为三根，三根光纤光栅阵列传感光缆(5)分别沿大体积混凝土(10)的X轴、Y轴、Z轴埋设。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述光栅(55)为弱光栅，多个弱光栅等间距分布构成光栅阵列，相邻两个弱光栅之间的物理间距为1m，弱光栅的反射率为0.1％。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述光栅阵列采用时分复用和空分复用的混合复用方式。5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述免应力光纤(53)在拉丝过程中完成光栅(55)的刻写和涂覆。6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述信号解调仪(7)采用波长解调技术。7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅阵列传感的混凝土温度监测系统，其特征在于：所述数据处理单元(8)包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：南秋明，鲁久玲，饶志胜，岳丽娜，李盛，甘维兵，杨燕，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：