一种用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程监测，尤其涉及一种用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置及方法。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术是基于光时域反射原理的传感方法，利用光纤作为连续分布的传感介质，通过分析背向散射光信号实现物理参量的空间定位测量。分布式光纤传感技术在岩土工程监测中具有广泛的应用价值，主要体现在高精度、长距离、连续测量能力，可对土体变形、温度、应变等进行实时监测，为工程安全提供关键数据支撑。

2、但在实际工程应用中仍存在以下问题：

3、（1）光纤通常处于自然松弛状态，初始张力不可控，导致应变响应不稳定。

4、（2）光纤沿线张力分布不均，易产生局部松弛或应力集中。

5、（3）施工及长期荷载作用下光纤易发生弯折、滑移或损伤。

6、（4）现有技术缺乏适用于连续分布式光纤的张力调节结构，难以实现高精度监测。

7、因此，有必要提出一种能够实现光纤张力可控调节、均匀分布及长期稳定保持的预张拉调节装置。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置及方法，以解决现有技术中光纤通常处于自然松弛状态，初始张力不可控，导致应变响应不稳定；光纤沿线张力分布不均，易产生局部松弛或应力集中；施工及长期荷载作用下光纤易发生弯折、滑移或损伤；现有技术缺乏适用于连续分布式光纤的张力调节结构，难以实现高精度监测的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置，所述用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置，包括：光纤固定端、张力调节端、张紧调节机构、张力传递组件和限位与保护结构；

4、其中，光纤固定端，用于提供光纤末端的绝对锚固，确立零滑移固定边界条件，作为全张力路径的起始参考基准点，并为张力加载提供固定的定位原点；

5、张力调节端，用于将输入位移或角度量转换为光纤轴向拉伸动作；同时通过指示装置实时输出对应的张力数值，供操作者读取并作为闭环调节的反馈依据，以修正和稳定施加的张力值；

6、张紧调节机构，用于施加初始驱动力，并通过包含精细步进、快速粗动及自动补偿的多级调节实现张力增量设定，组合粗调与微调操作后确定最终预张拉力幅值，满足不同工况下的张力需求；

7、张力传递组件，用于将调节端输出的集中拉力沿光纤轴向进行路径引导与载荷分散，使各横截面承受均匀的拉应力；

8、限位与保护结构，用于强制约束光纤弯曲路径以限定最小弯曲半径；同时隔离外部机械接触与冲击作用，形成缓冲防护，共同构建光纤在预张拉及服役期间的安全工作空间与位移限位条件。

9、作为本发明的进一步改进，光纤固定端包括：光纤、持式锚固结构、胶结固定结构、嵌入式卡槽结构；

10、其中，光纤沿固定端轴向贯穿布置，其外侧表面由夹持式锚固结构对向夹紧，形成初始径向握持力；胶结固定结构布置于夹持式锚固结构的相邻侧，其填充区域包覆光纤的局部区段，经固化后形成辅助粘结层；

11、嵌入式卡槽结构设置于夹持式锚固结构的下方，其凹槽轮廓与光纤的涂覆层外形匹配，光纤末端嵌入嵌入式卡槽结构内构成机械锁止。

12、作为本发明的进一步改进，张力调节端包括：调节支座和调节连接件，可设置刻度或位移指示结构；

13、其中，调节支座作为张力调节端的基座，固定安装于装置框架上；调节连接件活动安装于调节支座的上方或侧面，其输入端接收外部操作力矩，输出端与光纤的张力施加端连接；

14、刻度或位移指示结构安装于调节支座的底部或相邻侧壁，其指示部件与调节连接件的移动部件联动。

15、作为本发明的进一步改进，张紧调节机构包括：螺纹连接件、螺纹调节件、弹簧；

16、其中，螺纹连接件的一端固定连接于装置框架或调节支座上，其内部设有内螺纹或外螺纹；螺纹调节件与螺纹连接件形成螺纹副配合，螺纹调节件的末端与光纤的张力作用端相连；

17、弹簧的一端连接于螺纹连接件的右侧端面，另一端连接于螺纹调节件的相应台阶面或限位环上。

18、作为本发明的进一步改进，张紧调节机构还可以采用滑动锁定结构，滑动件沿导向槽快速滑移，将光纤拉至接近目标张力的位置，通过偏心凸轮或楔形锁止块压紧滑动件与导向槽壁面，形成摩擦自锁，完成大行程快速粗调；可与螺纹调节件串联使用；滑动锁定结构完成张力初步建立后，再由螺纹调节件进行修正。

19、作为本发明的进一步改进，张紧调节机构还可以采用独立调节模式，将弹簧串联于光纤的张力路径中，通过改变弹簧的预压缩量或预拉伸量来设定初始张力；

20、光纤在使用过程中发生长度变化时，弹簧的刚度特性使其产生相应形变，被动吸收伸长量或补偿收缩量，维持张力在设定允许波动范围内；也可与螺纹调节件并联使用；螺纹调节件设定张力基准值，弹簧提供动态自动补偿。

21、作为本发明的进一步改进，张力传递组件包括：导向结构和分布式连接单元；

22、其中，导向结构沿光纤的走向路径布置于各转折位置，其导向面与光纤的外表面接触；

23、分布式连接单元沿光纤的轴向间隔布置，每个分布式连接单元的一端连接于导向结构的固定部位，另一端连接于光纤的涂覆层外侧。

24、作为本发明的进一步改进，限位与保护结构包括：弯曲限制结构、外包保护层和缓冲材料层；

25、其中，弯曲限制结构紧贴光纤的外表面设置于光纤弯曲路径的内侧或外侧，其接触面为圆弧导向面；

26、外包保护层包裹于弯曲限制结构的外侧，沿光纤走向连续覆盖；缓冲材料层设置于外包保护层的右侧区域，或者填充于外包保护层与装置外壳之间的空隙内。

27、作为本发明的进一步改进，弯曲限制结构的圆弧导向面限定光纤弯曲时的最小曲率半径，不低于20～30 mm。

28、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

29、一种用于分布式光纤感知结构的预张拉调节方法，其应用于所述的用于分布式光纤感知结构的预张拉调节装置，所述用于分布式光纤感知结构的预张拉调节方法，包括：

30、通过光纤固定端固定光纤的一端，并以光纤固定端的空间位置为起始参考基准点完成初始定位；

31、根据工程需求选择预张拉结构形式：端部张紧式、节点微张紧式或温控预张拉式；

32、通过张紧调节机构逐步施加张力，采用螺纹或滑动调节；通过各节点弹性体自动建立张力；通过温控加载装置设定加热参数；同时通过张力调节端的刻度或位移指示结构，或外接应变监测装置，实时监测光纤的应变或位移变化量；

33、当光纤的应变值达到预设范围后，通过锁紧机构，集成于张紧调节机构保持张力状态；依靠各分布式连接单元的弹性体自锁特性维持张力分布；待冷却完成后依靠材料定型保持预应力；

34、沿光纤走向检查全张力路径上的张力分布均匀性及各弯曲位置的最小弯曲半径；

35、确认所有参数满足设计要求后，完成光纤布设并进入施工或监测阶段。

36、本发明通过设置多形式预张拉调节结构，对分布式光纤施加可控且稳定的初始张力，实现光纤沿线张力的均匀分布与长期保持，具有如下技术效果：

37、1）实现光纤初始张力的可控调节，提高监测精度与一致，通过张紧调节机构对光纤施加预设应变，使光纤在铺设后处于稳定受力状态，有效避免传统松弛状态下应变响应滞后或不稳定问题，从而显著提高监测数据的精度与重复性。

38、2）保证光纤沿线张力均匀分布，提高信号稳定性与连续性，通过端部张紧与节点微张紧相结合的结构设计，实现光纤沿长度方向的均匀张力分布，减少局部松弛或过度拉伸现象，有效抑制信号波动与异常，提高分布式监测数据的连续性与可靠性。

39、3）降低光纤松弛及局部应力集中风险，提高结构耐久性，通过预张拉及限位保护结构的协同作用，使光纤在施工及服役过程中始终处于合理应力范围内，避免局部弯折、应力集中及疲劳损伤，从而延长光纤使用寿命，提高系统整体耐久性。

40、4）提高光纤与结构之间的耦合稳定性，增强应变传递能力，预张拉状态下光纤与周围结构（如土体或格栅）保持稳定接触关系，减少界面滑移与脱耦现象，使结构变形能够更及时、准确地传递至光纤，提高应变响应的真实性与灵敏度。

41、5）适用于连续分布式光纤系统，满足大范围监测需求，本发明针对分布式光纤长距离连续布设的特点，通过分布式张紧结构实现整体与局部相结合的张力控制方式，能够在大尺度范围内保持光纤张力一致性，适用于道路、路基等长线工程监测场景。

42、6）具备良好的工程适应性与施工可实施性，预张拉调节装置结构简单、可调节性强，可根据不同工程条件选择端部张紧、节点张紧或温控预张拉方式，适应不同施工工艺与环境条件，具有较强的工程推广价值。

43、7）提高监测系统的长期稳定性与数据可解释性，通过稳定的初始张力控制，减少因温度变化、材料老化或结构变形引起的信号漂移，使监测数据在时间维度上具有更好的可比性和可解释性，满足长期监测与趋势分析需求。

44、8）可与复合结构协同应用，提升整体系统性能，本发明可与分布式光纤-土工格栅复合结构协同使用，在实现结构增强的同时进一步优化光纤受力状态，从而在系统层面提升感知能力与力学性能的一体化水平。