基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统及损伤定位方法与流程

本发明属于风力发电结构健康监测，具体涉及基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，还涉及利用上述混塔接缝损伤定位系统进行损伤定位的方法。

背景技术：

1、随着风电机组单机容量向 5mw 及以上大型化发展，轮毂高度不断提升，传统全钢塔架在运输、成本及柔性控制方面的局限日益突出。混凝土-钢混合塔架（简称“混塔”）因其下部混凝土段刚度大、抗疲劳性能优、可分段预制运输等优势，逐渐成为高塔架的主流方案。

2、混塔的混凝土段通常由多个预制管片通过环向接缝（水平接缝）和纵向拼缝（竖向接缝）拼装而成，管片之间依靠后张预应力钢绞线压紧，上部钢塔段与混凝土段之间通过钢混过渡段（法兰＋灌浆层）连接。这些接缝部位是混塔结构受力的薄弱环节，长期承受循环风载、温度梯度、混凝土收缩徐变及预应力损失的共同作用，容易出现接缝张开、局部裂缝、预应力松弛等损伤。一旦接缝损伤未被及时发现，将导致刚度退化、疲劳裂纹扩展，严重时引发塔架失稳倒塌事故。

3、现有的混塔接缝监测技术主要存在以下问题：

4、1.点式传感器覆盖不足：现有技术多采用振弦式应变计、电阻应变片或点式光纤光栅（fbg），仅能在有限的离散测点获取应变数据。接缝张开往往起始于局部并沿环向扩展，点式传感器难以捕捉裂缝的空间分布形态，存在监测盲区，容易漏检发生在非测点位置的局部损伤。

5、2.多源应变耦合难以分离：接缝部位实测应变是温度效应、混凝土收缩徐变、风载弯曲、预应力损失以及裂缝张开等多种因素叠加的结果。现有技术往往简单地进行温度补偿后即认为得到“机械应变”，未能进一步区分收缩徐变的缓慢趋势、风载的动态分量、预应力损失的准静态分量与裂缝的突变分量，导致误报率高、损伤源识别不清。

6、3.整体弯曲干扰损伤定位：塔架在风载作用下产生整体弯曲变形，任一截面的应变均包含较大的整体弯曲分量。局部接缝张开引起的应变变化相对整体弯曲应变往往量级较小，直接从实测应变中提取局部损伤信号信噪比低，容易被整体弯曲淹没。

7、4.基线漂移导致长期监测失效：混凝土收缩徐变、温度季节性变化及预应力时效损失均会引起监测基线的长期漂移。现有技术缺乏合理的基线更新机制，长期运行后基线失真，损伤判据阈值失效。

8、5.损伤定量描述缺失：现有技术即使检测到异常，通常仅能给出“某区域存在损伤”的定性结论，无法定量给出接缝张开发生的方位、沿环向的弧长范围及等效张开宽度，难以支撑精细化的维护决策。

9、综上，现有混塔接缝监测技术在空间覆盖、多源分离、抗弯曲干扰、基线维护及损伤定量方面均存在明显不足。因此，亟需一种能够连续覆盖接缝全周长、有效分离多源应变、排除整体弯曲影响并定量输出损伤参数的混塔接缝损伤定位方法。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，解决了现有点式监测技术中空间覆盖不足、多源应变耦合难以分离导致接缝损伤漏检和误报的问题。

2、本发明的第二个目的是提供利用上述混塔接缝损伤定位系统进行损伤定位的方法，解决了现有技术在整体弯曲干扰下局部损伤信号信噪比低、基线漂移导致长期监测失效、损伤定量描述缺失的问题。

3、本发明所采用的第一个技术方案是：基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，自下而上分为感知层、解调层、分离层、识别层与输出层五个层次；

4、感知层由环形光纤感知层与双纤温度补偿单元组成；

5、解调层由分布式解调采集模块构成；

6、分离层由多源应变分离模块构成；

7、识别层由环向波形分析模块、相邻环差分模块与基线自更新模块并行构成；

8、输出层由损伤定位输出模块构成。

9、本发明的特点还在于：

10、环形光纤感知层沿混塔接缝布置环形或螺旋形分布式光纤，负责连续采集接缝全周长的应变与温度信息；

11、双纤温度补偿单元在每个接缝处并行布置监测光纤与温度补偿光纤，为多源应变分离提供温度解耦依据；

12、分布式解调采集模块基于布里渊光时域分析或瑞利频移光频域反射原理，对光纤沿线的散射谱进行解调，输出沿光纤长度坐标的应变与温度分布；分布式解调采集模块采用布里渊光时域分析或瑞利频移光频域反射方式，空间分辨率不大于 5cm，多个接缝处的环形监测单元通过单根传感光缆串接；

13、多源应变分离模块处于系统的核心枢纽位置，接收解调数据并建立温度-收缩徐变-风载-预应力-裂缝分离模型，将实测应变分解为各物理来源分量；

14、环向波形分析模块对分离后的环向应变空间波形进行傅里叶分解，识别均匀预应力损失、偏心受压及塔筒倾斜；

15、相邻环差分模块通过上下相邻两个环形监测单元的应变差分排除整体弯曲共模干扰，突出局部损伤信号；

16、基线自更新模块利用无载、停机或小风速时间窗动态更新监测基线，抑制收缩徐变与温度引起的基线漂移；

17、损伤定位输出模块是损伤定量描述的基础，综合前述各模块结果输出接缝张开的方位、弧长及等效宽度，并将结果反馈至基线数据库。

18、本发明所采用的第二个技术方案是：基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位方法，使用上述定位系统，具体方法如下：

19、s1、建立环形光纤感知网络并加载基线数据库；实时监测机组运行状态，判断是否进入基线更新时间窗；

20、s2、获取监测光纤与温度补偿光纤的散射频移分布，进行温度补偿得到机械应变；

21、s3、建立多源应变分离模型，将实测应变分解为各物理来源分量，得到准静态预应力和裂缝分量；

22、s4、对准静态分量中的预应力和裂缝空间波形进行傅里叶分解识别损伤与计算相邻环差分，提取局部损伤信号；

23、s5、进行损伤判据评定，反演输出损伤结果并反馈至基线数据库。

24、本发明的特点还在于：

25、s1中，建立环形光纤感知网络时，在混塔各接缝处进行光纤布置，结构具体如下：

26、在每一道混凝土预制塔段的环向接缝处，沿塔筒外周或内壁布置一圈环形分布式光纤，构成一个环形监测单元，光纤起点与终点通过跳线引出至解调设备；采用螺旋形布置，使光纤沿塔筒高度方向以小螺距缠绕，兼顾环向与纵向的应变感知；

27、在纵向拼缝处沿竖向敷设纵向监测光纤，覆盖管片竖向接缝；在钢混过渡段的法兰与灌浆层部位布置过渡段环形光纤，监测钢混界面的界面应变与脱空；相邻两道环向接缝的环形监测单元沿高度方向上下配对，构成用于差分运算的相邻环对；光纤通过预埋或表贴方式固定，环向布置的角度坐标定义为以塔筒正北方向为、沿顺时针方向递增。

28、s1中，判断是否进入基线更新时间窗的具体方法如下：

29、识别机组处于无载、停机或小风速的时间窗，在该时间窗内风载动态分量趋近于零，取该时间窗内的长时平均应变作为更新后的监测基线，并据此更新收缩徐变模型参数，从损伤判据中剥离收缩徐变缓变趋势。

30、s2中，在每个接缝处并行布置两根光纤：

31、其一为监测光纤，采用紧套或全胶粘方式与混凝土基体紧密耦合，同时感受机械应变与温度变化；其二为温度补偿光纤，采用松套管封装，光纤在套管内自由，仅感受温度变化而与基体应变解耦；

32、对于布里渊解调方式，两根光纤的布里渊频移变化分别满足：

33、（1）

34、（2）

35、其中为监测光纤的布里渊频移变化量，为温度补偿光纤的布里渊频移变化量，为应变系数，为温度系数；联立两式即可解出温度补偿后的纯机械应变：

36、（3）

37、由此消除温度对应变测量的交叉敏感；

38、对于基于瑞利散射的相位敏感型光时域反射或光频域反射解调方式，两根光纤的瑞利散射相位变化分别满足：

39、应变敏感光纤：

40、（4）

41、温度敏感光纤：

42、（5）

43、其中：、分别为两根光纤在位置处的瑞利散射相位变化量；为应变-相位耦合系数，理论值推导如下：

44、（6）

45、其中：为光纤有效折射率；为激光波长；为光纤初始空间分辨率长度；为光弹性系数；对于nm、m的系统，；为温度-相位耦合系数，由热光效应和热膨胀效应共同决定：

46、（7）

47、其中：为折射率温度系数；为光纤热膨胀系数；温度补偿后的纯应变值：通过双纤并行测量，从两路相位信号中解耦应变：

48、（8）

49、代入rad/με：

50、（9）

51、同步获取温度场：

52、（10）。

53、s3中，多源应变分离模型为：

54、（11）

55、式中，为混凝土收缩应变，为徐变应变，为风载引起的弯曲应变，为预应力变化引起的压应变，为裂缝张开引起的局部应变集中；

56、优化分解各应变分量，各应变分量按时间尺度与空间特征区分：收缩徐变为随时间缓慢单调变化的准静态分量，可用对数-幂函数模型描述，对数-幂函数模型为：

57、（12）

58、其中为终极收缩徐变应变，为时间常数，为形状参数；风载分量为随风速与风向脉动的动态分量，具有随机波动特征；预应力损失分量为准静态缓变的均匀或近均匀压应变；裂缝分量为沿环向局部集中的突变分量。

59、s4中，傅里叶分解识别损伤具体为：将某一环形监测单元沿环向角度的机械应变分布展开为傅里叶级数：

60、（13）

61、其中各谐波系数对应不同的损伤模式，具体如下：

62、零阶分量表征环向均匀压应变，其随时间的下降对应均匀预应力损失；

63、一阶分量（）表征沿环向的线性梯度，对应偏心受压或塔筒倾斜，其方位角为：

64、（14）

65、高阶分量及沿环向局部出现的尖峰对应局部接缝张开，表现为在窄角度范围内的应变集中。

66、s4中，计算相邻环差分具体为计算相邻两个环形监测单元的应变差分，从而排除整体弯曲影响的方法，具体如下：

67、设上、下两个相邻环形监测单元在同一方位角处的机械应变分别为与，塔架整体弯曲在相邻两环处的应变近似相等，而局部接缝张开仅作用于其中一个接缝，计算差分应变：

68、（15）

69、由于整体弯曲的共模分量在差分中被抵消，主要保留局部损伤引起的差模信号。

70、s5中，反演输出损伤结果具体为：

71、s5.1、损伤方位角的确定：

72、损伤方位角为差分残差达到峰值时对应的周向角度；

73、s5.2、损伤影响弧长的计算：

74、影响弧长根据差分残差超过阈值的角度范围计算：

75、（16）

76、其中为差分残差超过阈值的角度区间，为塔筒半径；

77、s5.3、等效张开宽度的计算：

78、等效张开宽度由差分残差在损伤弧长范围内的积分给出：

79、（17）

80、s5.4、损伤等级判定：

81、基于峰值开度和平均开度进行四级损伤判定，其中：峰值开度计算公式为：

82、（18）

83、平均开度计算公式为：

84、（19）

85、式中，为相邻环形监测单元间距，为最大差分应变值，为周向测点总数，为各测点的开度值；

86、损伤周向占比定义为开度超过 0.05 mm 的测点数占总测点数的百分比；

87、损伤判定标准：

88、当mm ，且mm 时，判定为ⅰ级健康状态，接缝无损伤；

89、当mm 时，判定为ⅱ级预警状态，接缝轻微张开；

90、当mm 时，判定为ⅲ级损伤状态，接缝明显损伤；

91、当mm 或时，判定为ⅳ级严重状态，接缝存在失效风险；

92、损伤类型识别：

93、基于开度不均匀系数进一步识别损伤类型，开度不均匀系数计算公式为：

94、（20）

95、式中，为周向最小开度；

96、损伤类型判定标准：

97、当且时，判定为局部损伤，损伤集中在特定扇区；

98、当且时，判定为整体损伤，损伤沿周向均匀分布；

99、其他情况判定为混合损伤。

100、本发明的有益效果是：

101、（1）本发明基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，全周长连续覆盖，消除监测盲区，采用环形或螺旋形分布式光纤沿接缝全周长布置，空间采样间隔可达厘米级，能够连续捕捉接缝张开沿环向的分布形态，从根本上解决了点式传感器的监测盲区问题，显著降低局部损伤漏检率；

102、（2）本发明基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，多源应变精准分离，降低误报：通过建立温度-收缩徐变-风载-预应力-裂缝分离模型，将实测应变按物理来源、时间尺度和空间波形特征分解为独立分量，能够准确区分缓变的收缩徐变、动态的风载、准静态的预应力损失与突变的裂缝张开，误报率相比简单温度补偿方法显著下降；

103、（3）本发明基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位方法，差分排除整体弯曲，提升信噪比：利用相邻两个环形监测单元的应变差分运算，将整体弯曲作为共模分量予以抵消，使局部接缝张开信号的信噪比大幅提升，能够识别相对整体弯曲量级更小的早期局部损伤；

104、（4）本发明基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位方法，基线自适应更新，保障长期有效：利用无载、停机或小风速时间窗动态更新监测基线，有效抑制混凝土收缩徐变、季节性温度变化及预应力时效损失引起的基线长期漂移，保证长期监测判据的持续有效性；不仅能够检测损伤，还能定量输出接缝张开的方位角、沿环向的弧长范围及等效张开宽度，为差异化、精细化的检修决策提供直接依据；

105、（5）本发明基于光纤环阵差分的混塔接缝损伤定位系统，无源抗电磁干扰，适应恶劣环境：分布式光纤本质无源，抗电磁干扰、耐腐蚀、可长距离传输，特别适合风电机组高电磁环境和野外长期部署，单根光纤即可串接多个接缝监测单元，降低布线与维护成本。