[发明专利]一种钢管混凝土内表层空腔的定量检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种钢管混凝土内表层空腔的定量检测装置，它包括分布式光纤传感器(1)、向钢管混凝土(2)内部输入热流的加热层(3)、阻止加热层(3)热量向外界扩散的隔热层(4)、分布式光纤传感器(1)的数据采集仪器(5)和用于加热层(3)的温度调节装置(6)，其特征在于：所述分布式光纤传感器(1)沿钢管混凝土(2)纵向布设在钢管外侧顶部，采用胶黏的方法使其与钢管混凝土(2)固定，并将分布式光纤传感器(1)的两端与数据采集仪器(5)电连接；所述加热层(3)覆盖于钢管混凝土(2)的上半部分，并通过引线(7)与温度调节装置(6)电连接；所述隔热层(4)覆盖于加热层(3)的上部；所述钢管混凝土(2)包括钢管(8)和其内部混凝土(9)两部分，也存在需要检测的内表层空腔(10)；所述分布式光纤传感器(1)包括各种类型的单模和多模传感光纤，分布式光纤传感器(1)的类型、尺寸需根据钢管混凝土(2)的尺寸和用途进行选择；所述加热层(3)，内部是分布均匀的加热丝(11)，外部是保护加热丝的绝缘布(12)，加热丝(11)使用包括碳纤维和合金材料，加热丝(11)的类型、尺寸需根据所要制作加热层(3)的尺寸和功率决定，绝缘布(12)选择硅橡胶、聚氯乙烯绝缘材料；所述隔热层(4)选用橡塑海绵导热系数较低的材料；所述分布式光纤传感器(1)的数据采集仪器(5)包括适用于单模和多模传感光纤的基于布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射的分布式光纤数据采集仪器；所述加热层的温度调节装置(6)包括各种调节加热丝(11)发热功率的调压器或装置。

2.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土内表层空腔的定量检测方法，其特征在于：采用下列步骤：

第一步、将待检测既有的钢管混凝土(2)结构外表面清理干净；

第二步、分布式光纤传感器(1)的布设，将分布式光纤传感器(1)沿纵向布设于待检测钢管混凝土(2)的顶部，并用胶水将两者进行粘结；

第三步、将加热层(3)覆盖于钢管混凝土(2)的上半部分，使其两者间贴合，并在在加热层(3)上部覆盖隔热层(4)；

第四步、将分布式光纤传感器(1)两端与数据采集仪器(5)电连接，将加热层(3)的引线(7)与温度调节装置(6)电连接，准备进行钢管混凝土内表层空腔(10)的定量检测；

第五步、将温度调节装置(6)通电，使得加热层(3)开始加热，向钢管混凝土(2)内部均匀释放热量，同时使用数据采集仪器(5)连续采集分布式光纤传感器(1)所测量的钢管混凝土(2)顶部的实时温度数据；

第六步、一段时间后，将温度调节装置(6)断电，使得加热层(3)停止加热，数据采集仪器(5)也停止对分布式光纤传感器(1)温度数据的采集；

第七步、钢管混凝土内表层空腔(10)的识别和定位，根据分布式光纤传感器(1)所测量的分布式温度数据，绘制钢管混凝土(2)顶部的温度分布曲线(13)；通过识别温度分布曲线(13)上的温度异常区域(14)，实现钢管混凝土的内表层空腔(10)识别和定位；

第八步、钢管混凝土内表层空腔长度L的确定，将温度异常区域(14)中温度变化最大点(15)所对应的位置认定为内表层空腔(10)的纵向边界位置，实现钢管混凝土内表层空腔(10)长度L的定量识别；

第九步、钢管混凝土内表层空腔(10)高度h的确定，选取钢管混凝土(2)的横截面，分析内表层空腔(10)高度对于传热的影响，加热层(3)覆盖在钢管混凝土(2)的上半部分，均匀地向钢管混凝土(2)内部释放热量，假设热流仅沿着钢管混凝土(2)的径向传播，则取出钢管混凝土(2)横截面中心位置的竖向热流单元(16)进行一维热传导分析；对于该热流单元(16)，热源在其左侧，则热量从该侧向另一侧传递，其热传导方程表示为

其中，ΔT是分布式光纤传感器(1)测得的钢管混凝土(2)顶部的温升值，r是热流单元(16)中距热源的位置，t为加热层(3)所加热的时间，a_e是该热流单元(16)的热扩散系数；

热传导方程的初值条件和边界条件为

ΔT(r,t)＝0,t≤0

其中，λ_e是热流单元(16)的导热系数，q是加热层(3)的单位面积加热功率；

运用拉普拉斯变换求解该热传导方程，则热流单元(16)的温升可以表示为

其中，e_e为热流单元(16)的吸热系数，ρ_e为热流单元(16)的密度，C_e为热流单元(16)的比热容，为高斯误差函数；

当r＝0时，热流单元(16)中热源一侧的温升为

该热流单元(16)位于钢管混凝土(2)横截面的中心位置，其热源一侧即为钢管混凝土(2)顶部布设分布式光纤传感器(1)的位置，因此上式中求得的温升即为分布式光纤传感器(1)所测的温升值；由上式可以看出，温升值与加热时间的平方根成线性关系，其斜率只与加热层(3)的单位面积加热功率q、热流单元(16)的吸热系数e_e相关，而加热层(3)的单位面积加热功率q由温度调节装置(5)设定，是已知值；因此，根据第五步中连续采集的分布式光纤传感器(1)的实时温度数据，便将热流单元(16)的吸热系数e_e求解；

热流单元(16)是由钢、空气和混凝土三种材料所构成的复合结构单元，其吸热系数e_e由三种材料的所占比例决定，并且已知：

则热流单元(16)的密度和比热容为

其中，ρ_s、ρ_a和ρ_c分别为钢、空气和混凝土的密度，C_s、C_a和C_c分别为钢、空气和混凝土的比热容，L_s1、L_s2是钢的传热长度，h是空气的传热长度，L_c是混凝土的传热长度，L是热流单元的总长度；

根据等效热阻法，热流单元(16)的导热系数为

其中，λ_s、λ_a和λ_c分别为钢、空气和混凝土的导热系数；

所以，热流单元的(16)吸热系数为

上式中，热流单元(16)的吸热系数e_e用分布式光纤传感器(1)的测量数据计算得到，钢、空气和混凝土的热物理性质参数是已知的，钢管(8)的厚度、内部混凝土(9)的直径也是已知的，只有钢管混凝土(2)的内表层空腔(10)高度h是未知量，因此将其求解出来，实现内表层空腔(10)高度的定量识别。

3.根据权利要求2所述的一种钢管混凝土内表层空腔的定量检测方法，其特征在于：所述的分布式光纤传感器(1)是温度传感器。