本發(fā)明涉及一種地下建筑用光纖光柵傳感器陣列及其防護裝置和施工方法，屬于光纖光柵傳感器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，光纖光柵傳感技術(shù)以其優(yōu)越的抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、體積小、傳輸損耗小、傳輸容量大等特點，在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中得到廣泛的使用，然而在項目實施過程中，光纖光柵傳感器及光纜的布設(shè)防護為一線施工環(huán)節(jié)，面臨著惡劣的土木施工環(huán)境，所以有效的防護措施及施工工藝是系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的重要保障。

光纖光柵傳感器安裝方式有安裝式和預埋式兩種，對于大型地下澆筑式建筑物，空間的局限性決定了最合適的布設(shè)方式為澆筑預埋式。理由有三：一是可提高測點布局的自由度，實現(xiàn)無死角布設(shè)；二是無需預留后期操作空間；三是澆筑后的建筑結(jié)構(gòu)對光纖光柵傳感器及光纜形成了極佳的保護。

光纖光柵傳感器的核心部件為位于裸光纖上的一段光纖光柵，裸光纖本身質(zhì)地脆弱，易斷裂，要提高光纖光柵傳感器的環(huán)境適應性及使用壽命，根本上講就是提高光纖的環(huán)境適應性及長期工作穩(wěn)定性。影響光纖使用壽命的因素主要有：一、光纖表面的微裂紋的存在和擴大；二、大氣環(huán)境中的水和水蒸氣分子對光纖表面的侵蝕；三、不合理敷設(shè)光纜時殘留下來的應力長期作用。在土木施工現(xiàn)場，鋼筋結(jié)構(gòu)的架設(shè)，混凝土澆筑及振動搗實過程中，會直接對埋設(shè)的光纖光柵傳感器及其光纖連接通道帶來水汽和應力的作用，此外光纖光柵傳感器的光纖通道連接通常采用熔接的方式，其操作精細，在土木工程粗放型的施工現(xiàn)場存在極大的施工難度。

因此，能否在粗放型土木施工現(xiàn)場，尤其在混凝土振動搗實及固化期間對光纖光柵傳感器及光纜提供有效保護；能否實現(xiàn)光纖光柵傳感器布設(shè)與鋼架結(jié)構(gòu)構(gòu)建同步進行，無施工交叉影響，實現(xiàn)無死角光纖光柵傳感器布設(shè)；能否實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的長期工作穩(wěn)定，在建筑物動輒幾十年甚至上百年的使用壽命中發(fā)揮應有的作用，主要取決于光纖光柵傳感器，光纖及其熔接點的防護措施是否長期穩(wěn)定、有效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種地下建筑用光纖光柵傳感器陣列及其防護裝置和施工方法。

本發(fā)明提供的光纖光柵傳感器陣列，由多個測試通道組成，每個測試通道由若干光纖光柵傳感器串聯(lián)組成，相鄰的兩個光纖光柵傳感器連接處通過光纖熔接方式連接。傳感器兩端均可傳輸光信號，相應地每個通道兩端均可傳輸光信號。測試系統(tǒng)工作時，寬帶光源經(jīng)由耦合器、程控光開關(guān)、配線設(shè)施、主光纜、單模單芯鎧裝光纜為測試通道中的每個光纖光柵傳感器提供寬帶光源，光纖光柵傳感器進行波長調(diào)制并將其從原路反射回去，通過耦合器耦合進入光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)并轉(zhuǎn)換為電信號后傳輸?shù)娇刂浦鳈C進行數(shù)據(jù)分析及存儲，另外，程控光開關(guān)受控制主機的控制進行通道切換。

防護裝置包括傳感器、熔接點和單模單芯鎧裝光纜的防護。光纖光柵傳感器之間、傳感器與鎧裝光纜的連接處均采用裸光纖熔接的方式設(shè)置成熔接點。

本發(fā)明提供一種地下建筑用光纖光柵傳感器陣列，光纖光柵傳感器的中心為一根裸光纖，裸光纖中部經(jīng)光刻形成布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵經(jīng)金屬化處理后焊接固定于兩個固定端子上，固定端子與彈性梁通過螺紋連接；彈性梁中部設(shè)有柵欄結(jié)構(gòu)，每兩個柵欄結(jié)構(gòu)之間交叉90度；彈性梁兩端設(shè)有防水槽卡放橡膠圈，并整體穿套金屬套管；固定端子與套接柱通過螺紋連接；套接柱的端部安裝壓接端子；光纖光柵外延的纖芯穿入鎧裝光纜，鎧裝光纜在壓接端子處壓接固定，結(jié)合部位放置準直套管；光纖光柵傳感器兩端的套接柱是由寶塔狀和精密螺紋兩種結(jié)構(gòu)組成的柱體。

光纖光柵傳感器制造方案為：裸光纖中部經(jīng)光刻形成的布拉格光柵作為核心敏感單元，對其及與之相鄰的一小段裸光纖進行金屬化處理后焊接于兩個固定端子上，這兩個固定端子提前與彈性梁螺紋連接。彈性梁兩端具有防水槽，放置橡膠圈后再次整體穿套金屬套管，然后在其兩端安裝套接柱，套接柱的另一端安裝壓接端子，單模單芯鎧裝光纜的保護結(jié)構(gòu)在穿套裸光纖后在壓接端子處壓接固定。

上述方案中，所述防水槽內(nèi)設(shè)有橡膠圈。

上述方案中，所述布拉格光纖光柵的兩端與固定端子通過焊接的方式固定。

上述方案中，其內(nèi)部的布拉格光柵及與之相鄰的一小段裸光纖進行金屬化處理，極大地提高了光纖光柵的應變靈敏度，同時也提高了防水、防潮、抗應力及長期工作穩(wěn)定性。金屬化處理后的布拉格光柵與固定端子焊接在一起，極大地提高了光纖光柵靈敏度，同時也提高了長期工作穩(wěn)定性。中部的彈性梁柵欄結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多維拉伸及彎折，使其具備了同時感應拉伸、彎曲、扭曲三種形式的應變。穿套于彈性梁上的金屬套管及橡膠圈，可以對其內(nèi)部裸光纖及光纖光柵，提供防水、防潮、抗震、抗應力防護。

本發(fā)明提供一種地下建筑用光纖光柵傳感器陣列防護裝置，其中傳感器的防護裝置設(shè)置在光纖光柵傳感器外側(cè)，防護裝置包括防護硬管、螺母、支座、喉箍、防護軟管。防護硬管穿套于光纖光柵傳感器外側(cè)，其間隙填充滿硅膠類防水填充材料，進行防水、隔震及抗徑向擠壓防護；光纖光柵傳感器兩端對稱設(shè)置有螺母、支座、喉箍，光纖光柵傳感器通過螺母及支座與主鋼筋固定，其中支座焊接在主鋼筋上；防護軟管套接于光纖光柵傳感器兩端的套接柱上，通過喉箍箍緊，防護軟管內(nèi)包括連接傳感器的所有單模單芯鎧裝光纜及其熔接點，各段防護軟管之間通過熔接點處的防護裝置連接密封。

光纖光柵傳感器兩端的套接柱的寶塔狀結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)有防護軟管，套接柱的精密螺紋結(jié)構(gòu)通過螺母將光纖光柵傳感器固定于支座上，采用雙螺母對頂?shù)姆绞椒浪?，通過調(diào)整螺母位置來校準光纖光柵傳感器。

上述防護裝置的安裝方法如下：

（1）在單模單芯鎧裝光纜與壓接端子結(jié)合部位放置準直套管，避免光纖過度折彎造成的光信號衰減及應力聚集；

（2）防護軟管套接于光纖光柵傳感器套接柱上，并通過喉箍箍緊；

（3）支座與主鋼筋通過焊接的方式固定，光纖光柵傳感器通過螺母與支座固定，采用雙螺母對頂?shù)姆绞椒浪?，通過調(diào)整螺母位置來校準光纖光柵傳感器；

（4）光纖光柵傳感器中部穿套防護硬管材，其間隙填充滿硅膠類防水填充材料，對光纖光柵傳感器進行防水、隔震及抗徑向擠壓防護。

熔接點的防護裝置從內(nèi)到外依次為光纖熱縮管、金屬細管、防護軟管和雙頭外絲管材。

熔接點防護方案的操作如下：熔接點處光纖熱縮管形成第一道防護，再穿套金屬細管形成第二道防護，再穿套防護軟管形成第三道防護，最后穿套雙頭外絲管材形成第四道防護。

單模單芯鎧裝光纜的防護裝置是指光纜外穿套的防護軟管。

本發(fā)明提供的熔接點防護方案：

（1）所有單模單芯鎧裝光纜外穿套防護軟管，防護軟管具有柔軟，壁厚的特征，增強了單模單芯鎧裝光纜徑向抗擠壓和防水性能和軸向的抗牽引性能；

（2）光纖通過熔接的方式對接，光纖熔接點使用光纖熱縮管形成第一道防護，穿套金屬細管形成第二道防護，穿套防護軟管形成第三道防護，穿套雙頭外絲管材形成第四道防護，這樣在徑向上具備了極佳的抗震動，抗沖擊，抗擠壓，防水性能；同時金屬細管與單模單芯鎧裝光纜壓接牢固，雙頭外絲管材與防護軟管由迫緊頭緊密結(jié)合，這樣在軸向上與單模單芯鎧裝光纜具備了一致的抗牽引性能。

縱觀光纖熔接點防護裝置，徑向上為裸光纖提供了抗震動，抗沖擊，抗擠壓，防水的一系列保護，軸向上裸光纖在單模單芯鎧裝光纜本身已有的雙重松套結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又增加了一層防護軟管對單模單芯鎧裝光纜的松套保護，進而具備了更加優(yōu)越的抗牽引性能，施工現(xiàn)場反應各防護效果俱佳。

本發(fā)明提供了一種地下建筑用光纖光柵傳感器陣列的防護裝置，其施工工藝如下：

首先，將光纖光柵傳感器通過單模單芯鎧裝光纜連接成通道，并對光纖光柵傳感器，單模單芯鎧裝光纜及熔接點按上述的方式進行防護，隨后，周轉(zhuǎn)運輸進入施工現(xiàn)場，安裝調(diào)試光纖光柵傳感器，并布設(shè)通道。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果有：

（1）光纖光柵傳感器的光纖光柵部位經(jīng)金屬化處理并通過焊接的方式與固定端子固定，而光纖光柵傳感器支座與主鋼筋之間也是焊接固定，從極大地提高了光纖對應變量的感知能力；

（2）彈性梁結(jié)構(gòu)使其具備了同時感應拉伸、彎曲、扭曲三種形式的應變的能力；

（3）光纖光柵傳感器的防護方案實現(xiàn)了對光纖光柵傳感器進行防水、隔震及抗徑向擠壓防護；

（4）光纖及熔接點的防護方案，在徑向上，為光纖提供了抗震動、抗沖擊、抗擠壓、防水的一系列保護；在軸向上，通過三重松套結(jié)構(gòu)，使單模單芯鎧裝光纜具備了極佳的抗牽引能力；光纖熔接點的防護方案為熔接點提供了三重抗折彎保護；

（5）施工工藝方面，通過將測試通道的連接、光纖熔接、產(chǎn)品防護等工序安排到場外潔凈場所進行，滿足了光纖熔接對環(huán)境的要求，在提高了作業(yè)效率的同時，也極大地改善了施工人員的作業(yè)生態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測試系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明彈性梁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明光纖光柵傳感器及其防護裝置示意圖；

圖5為本發(fā)明光纖及其熔接點防護裝置示意圖；

圖6為本發(fā)明安裝示意圖；

圖中，1.光纖光柵傳感器陣列，1-1.光纖光柵傳感器，1-1-1.壓接端子，1-1-2.裸光纖，1-1-3.套接柱，1-1-4.橡膠圈，1-1-5.彈性梁，1-1-6.金屬套管，1-1-7.固定端子，1-1-8.布拉格光纖光柵.1-1-9:鎧裝披覆.1-1-10:準直套管，1-2.喉箍，1-3.螺母，1-4.支座，1-5.防護硬管，2.光纜保護裝置，2-1.鎧裝光纜，2-2.防護軟管，3.光纖熔接點防護裝置，3-1.迫緊頭，3-2.雙頭外絲管材，3-3.光纖熱縮管，3-4.金屬細管，4.配線設(shè)施，5.主干光纜，6.程控光開關(guān)，7.寬帶光源，8.耦合器，9.光纖光柵解調(diào)儀，10.控制主機，11.主鋼筋。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

實施例：

如圖1所示，一種用于大型地下建筑的分布式光纖光柵傳感器（1-1），是由多個測試通道組成的用于地下建筑的光纖光柵傳感器陣列（1）。寬帶光源（7）產(chǎn)生后經(jīng)過耦合器（8）、程控光開關(guān)、配戲設(shè)施、主干光纜（5）、單模單芯鎧裝光纜（2-1），傳輸?shù)綔y試通道。測試通道首尾兩端均可接收寬帶光源（7），隨后各光纖光柵傳感器（1-1）生成特定的波長調(diào)制光信號并沿原路反射回去。光信號通過單模單芯鎧裝光纜（2-1），配線設(shè)施（4），主干光纜（5）到達程控光開關(guān)（6），程控光開關(guān)受控制主機（10）的控制在特定時序開啟對應傳輸通道，隨后光信號通過耦合器（8）到達光纖光柵解調(diào)儀（9），經(jīng)過解調(diào)并轉(zhuǎn)換成電信號，并按指定通訊協(xié)議傳輸?shù)娇刂浦鳈C（10）?？刂浦鳈C（10）對數(shù)據(jù)進行分析、判別、存儲等一系列的處理操作，完成對大型地下建筑的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測。

圖1中，每個測試通道由若干個光纖光柵傳感器（1-1）串聯(lián)組成，光纖光柵傳感器（1-1）與主鋼筋（11）固定為一體時，用于測量主鋼筋（11）的應變情況，處于自由放置狀態(tài)時，用于測量所在通道的實時環(huán)境溫度，利用測得的溫度對應變量進行溫度補償校準。

如圖2、3所示，光纖光柵傳感器（1-1）的中心為一根裸光纖（1-1-2），裸光纖中部經(jīng)光刻形成布拉格光纖光柵（1-1-8），布拉格光纖光柵經(jīng)金屬化處理后焊接于兩個固定端子（1-1-7）上，這兩個固定端子（1-1-7）與彈性梁（1-1-5）通過螺紋連接。彈性梁（1-1-5）中部設(shè)有柵欄結(jié)構(gòu)，每兩個柵欄結(jié)構(gòu)之間交叉90度；彈性梁兩端設(shè)有防水槽，放置橡膠圈（1-1-4）后再次整體穿套金屬套管（1-1-6），在金屬套管兩端分別設(shè)有套接柱（1-1-3），固定端子與套接柱通過螺紋連接；套接柱（1-1-3）的另一端安裝壓接端子（1-1-1），單模單芯鎧裝光纜（2-1）的保護結(jié)構(gòu)在穿套裸光纖（1-1-2）后在壓接端子（1-1-1）處壓接固定；

圖3中，位于光纖光柵傳感器（1-1）中部的為彈性梁（1-1-5），特殊結(jié)構(gòu)使其可以軸向拉伸，徑向彎曲及繞軸轉(zhuǎn)動，使得光纖光柵傳感器（1-1）具備了同時感應拉伸、彎曲、扭曲三種形式的應變。

如圖2~4所示，光纖光柵傳感器（1-1）主體兩端分別設(shè)有套接柱（1-1-3），套接柱（1-1-3）是由寶塔狀和精密螺紋兩種結(jié)構(gòu)組成的柱體，其寶塔狀端頭便于與配套的防護軟管（2-2）快速套接，與寶塔狀端頭相鄰的部分為精密螺紋，與緊固螺母（1-3）配套，配套有四只專用的螺母（1-3），通過支座（1-4）固定并調(diào)校光纖光柵傳感器（1-1），利用雙螺母（1-3）對頂?shù)姆绞焦潭ü饫w光柵傳感器（1-1）。在單模單芯鎧裝光纜（2-1）與壓接端子（1-1-1）結(jié)合部位放置準直套管（1-1-10），避免光纖過度折彎造成的光信號衰減及應力聚集。防護軟管（2-2）套接于光纖光柵傳感器（1-1）兩端的套接柱（1-1-3）上，并通過喉箍（1-2）箍緊。

如圖5所示，光纖通過熔接的方式連接，形成熔接點。光纖光柵傳感器（1-1）之間及與鎧裝光纜（2-1）的連接處采用裸光纖（1-1-2）熔接的方式設(shè)置成熔接點，光纖熔接點采用光纖熱縮管（3-3）形成第一道防護后，穿套金屬細管（3-4）形成第二道防護，穿套防護軟管（2-2）形成第三道防護，最后穿套雙頭外絲管材（3-2）形成第四道防護。另外，金屬細管（3-4）與單模單芯鎧裝光纜（2-1）壓接牢固，雙頭外絲管材（3-2）與防護軟管（2-2）由迫緊頭（3-1）緊密結(jié)合?？v觀光纖熔接點防護結(jié)構(gòu)，在徑向上，為光纖提供了抗震動，抗沖擊，抗擠壓，防水的一系列保護，更是為熔接點提供了三重抗折彎保護；在軸向上，裸光纖（1-1-2）在單模單芯鎧裝光纜（2-1）本身已有的兩重松套結(jié)構(gòu)（即松套管和鎧裝結(jié)構(gòu)）的基礎(chǔ)上又增加了一層防護軟管（2-2）對單模單芯鎧裝光纜（2-1）的松套保護，而具備了更大的抗牽引緩沖?，F(xiàn)場施工及混凝土澆筑反應，光纖及其熔接點的防護方案，為脆弱的裸光纖（1-1-2）尤其是光纖熔接點提供了極佳的防護。

如圖6所示，光纖光柵傳感器（1-1）通過螺母（1-3）及支座（1-4）與主鋼筋（11）固定，支座（1-4）與主鋼筋（11）在安裝前通過焊接的方式固定。在光纖光柵傳感器（1-1）中部穿套防護硬管（1-5），其間隙填充滿硅膠類防水填充材料，對光纖光柵傳感器（1-1）進行防水、隔震及抗徑向擠壓防護。

本發(fā)明提供了地下建筑用光纖光柵傳感器陣列的防護裝置的施工方法：首先，將光纖光柵傳感器通過單模單芯鎧裝光纜連接成通道，并對光纖光柵傳感器、單模單芯鎧裝光纜及熔接點進行防護：最后，周轉(zhuǎn)運輸進入施工現(xiàn)場，安裝調(diào)試光纖光柵傳感器，并布設(shè)通道。

進一步地，對光纖光柵傳感器、單模單芯鎧裝光纜進行防護的方法為：

（1）在單模單芯鎧裝光纜與壓接端子結(jié)合部位放置準直套管，避免光纖過度折彎造成的光信號衰減及應力聚集；

（2）防護軟管套接于光纖光柵傳感器套接柱上，并通過喉箍箍緊；

（3）支座與主鋼筋通過焊接的方式固定，光纖光柵傳感器通過螺母與支座固定，采用雙螺母對頂?shù)姆绞椒浪桑ㄟ^調(diào)整螺母位置來校準光纖光柵傳感器；

（4）光纖光柵傳感器中部穿套防護硬管材，其間隙填充滿硅膠類防水填充材料，對光纖光柵傳感器進行防水、隔震及抗徑向擠壓防護。

進一步地，對熔接點進行防護的方法為：

光纖通過熔接的方式對接，光纖熔接點使用光纖熱縮管形成第一道防護，穿套金屬細管形成第二道防護，穿套防護軟管形成第三道防護，穿套雙頭外絲管材形成第四道防護；同時金屬細管與單模單芯鎧裝光纜壓接牢固，雙頭外絲管材與防護軟管由迫緊頭緊密結(jié)合，這樣在軸向上與單模單芯鎧裝光纜具備了一致的抗牽引性能。