CN102914289B - 基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统，由基于连通器原理的挠度/沉降的物理量转化部分、基于布里渊分布式光纤传感技术的物理参量传感部分以及挠度/沉降评估系统组成，具体包括：油箱内的液面保持一定高度，通过油压总管及分管油被输送到各个固定在被测结构上的传感容器内，光纤通过滑轮缠绕、固定在容器内的活塞及底板上，测点的挠度/沉降增大时，光纤应变增大，而内部的一段自由光纤只受温度影响，可对其他光纤实施温度补偿，利用布里渊分布式传感技术进行应变、温度传感，最后通过评估系统评估挠度/沉降。本发明的监测系统布设灵活，且能够大量串联，适合大型基础设施的长期健康监测。

Description

基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统

技术领域

本发明涉及一种工程检测技术，尤其是一种基础设施结构挠度沉降检测装置，具体地说是一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统。

背景技术

 结构挠度是桥梁结构的重要参数，而结构沉降是地铁隧道工程的重要指标，它们的变化大小与结构的安全相关度非常高，也是相应规范中的必检指标。目前，桥梁的在线监测一般使用价格昂贵的GPS定位系统，但是GPS对梁的竖向挠度监测精度较低，一些地区还存在一些信号盲点。地铁隧道的沉降主要依靠人工和水准仪，耗时、费钱，还不能实时监测，对地铁运营影响较大。因此，有必要提出一套适合结构挠度/沉降长期在线监测的系统。

1989年Horiguchi等人提出首次分别提出了利用布里渊光的频移特性作为分布式应变和温度传感以来，该技术受到工程研究人员的广泛关注，其重要具有以下几个有点：1、分布式测量，理论上光纤每点的应变和温度都可以测量，实际可每5cm采样；2、长距离传感，可测量的光纤长度达到50km以上；3、测试精度高，目前最高应变测试精度为2με，温度测试精度为0.1°C；4、测试长期稳定，不受电磁场等环境干扰。

 据申请人所知，目前尚无一种可供成熟的基于布里渊分布式光纤传感技术的检测装置可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对目前尚无理想的基础结构沉降度检测设备的现状，设计一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度/沉降监测系统。

本发明的基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度/沉降监测系统，利用布里渊分布式光纤传感物理参量和连通器实现挠度/沉降的物理量转化，它可以实现大规模基础设施的结构挠度/沉降的长期在线监测，并且温度可以自补偿。

本发明的技术方案是：

一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度/沉降监测系统，其特征是它包括：

一个液体恒压源，它为传感容器提供恒定的压力，使传感容器的液位保持不变；

    一个传感容器，它的外壳与被检测结构固定相连，它的内腔通过连接管道与液体恒压源连通，在所述的内腔中安装有能上下移动的活塞，以使传感容器中的液面在液体恒压源的压力作用下保持恒定不变；

    一传感部件，它被安装在所述的传感容器中的，所述的传感部件由环形缠绕的检测光纤组成，所述的成环形缠绕的检测光纤的一端与活塞相连，另一端与前述传感容器的底部相连，当传感容器随结构沉降导至其中的液面位置下降时，液体恒压源向传感容器中补充压力液体推动活塞上移以使液压恢复到原始状态，从而将缠绕的检测光纤的两端拉伸产生应变；

    一信号传输光纤，它的一端与检测光纤相连以便将其应变输送到布里渊分布式光纤解调系统，从而实时得到结构的沉降参数。

所述的检测光纤缠绕在两个滑轮上，其中一个滑轮安装在与活塞相连的连接杆上，另一个滑轮安装在与传感容器底部相连的连接杆上。

所述的检测光纤通过一根温度补偿光纤与信号传输光纤相连。

所述液体恒压源包括油箱，油箱通过输油管与油源相连并使油箱中的液压油的液压高度保持不变，在输油管上安装在用于监测油箱内部液面的仪表，油箱的输出端连接有输出总管，输出总管再通过输出分管与各传感容器的内腔相连通。

所述的检测光纤和温度补偿光纤为商业单模裸光纤，信号传输光纤为外覆铠甲的单模裸光纤。

所述的检测光纤缠绕的长度不小于2倍的布里渊解调系统的空间分解能。 

所述的传感容器的数量不小于2个，所述的各信号传输光纤串接后再与布里渊分布式光纤解调系统相连。

本发明的有益效果：

1、本发明具有检测精度高，性能稳定，可以适合大部分基础设施的挠度/沉降测试要求。

2、本发明的挠度/沉降的测试机理简单，容易被一些非专业的管理人员接受，推广便利。

3、相比GPS等其他在线监测技术，除布里渊解调系统，传感系统本身的成本较低，再考虑到布里渊解调系统依次为多个子项目服务（如一个工作中心，多条地铁隧道），整体成本还是很低的。

4、本发明实现了分布式测量及超长距测量，本发明既可单独使用，也可大量串联使用，容易实现对大型基础设施在线长期监测，节约大量的劳动力，大大降低检测维护成本。

5、本发明能满足目前国家大型基础设施建设和运营的需求，尤其能够解决地铁盾构隧道、高铁桥梁的长期监测的一些难题，具有很高的社会效益。

附图说明

    图1是本发明的的结构示意图。

 图2是本发明的传感容器的立剖面结构示意图。

图3是本发明的传感容器的横剖面结构示意图。

图4是本发明的单模裸光纤的结构示意图。

图5是本发明的覆铠甲的单模裸光纤的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1-5所示。

一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度/沉降监测系统，包括液体恒压源、传感容器、传感部件、信号传输光纤及布里渊分布式光纤解调系统，其中的光纤及布里渊分布式光纤解调系统属于现有技术，故本发明不再描述，如图1所示，液体恒压源包括油箱1，油箱1内的油2液面保持一定高度，利用仪表8（可采用压力表可液位表）监测其液面高度变化，并通过油源9及输油管10进行液面高度自动控制；通过油压总管3及油压分管4将油2输送到各个固定在被测结构上的传感容器5（如图2、3）内；传感容器5内的检测光纤15（以下简称光纤15）通过滑轮14进行缠绕、固定，而两个滑轮14则分别通过连接杆13与活塞12及容器外壳11的底板相连，温度补偿光纤16（以下简称光纤16）处于自由状态，并与检测光纤15、信号传输光纤6连接；信号传输光纤6（简以下称光纤6）串联不同传感容器5，并通过光纤6将所有传感容器5与布里渊分布式光纤解调系统7相连；测点的挠度/沉降增大，光纤15的应变增大，光纤16只受温度影响，对光纤15进行温度补偿；利用挠度/沉降评估系统评估挠度/沉降。所述的油2采用高、低温工作性能良好的液压油，油压总管3和油压分管4采用耐高温、耐环境腐蚀、摩擦系数小的聚四氟乙烯管，压力表8、油源9及输油管10自动控制油2的高度保持常量。所述的光纤15、光纤16采用商业单模裸光纤（如图4），光纤6采用外覆铠甲的单模裸光纤（如图5），传感技术采用布里渊分布式光纤传感技术，光纤15通过滑轮14缠绕固定，缠绕长度不小于2倍的布里渊解调系统的空间分解能，光纤16作为光纤15的温度补偿传感器，挠度/沉降转化为光纤15的应变变化。 所述的布里渊分布式光纤解调系统7和挠度/沉降评估系统各为监测系统的子系统，可采用现有技术加以实现。具体实施时，同一台布里渊分布式光纤解调系统7能够同时连接500个串联的传感容器(测点)，容易实现长期在线监测。

本发明主要采用了以下原理：

1、采用连通器原理，将要测试的挠度/沉降转化为光纤的受拉应变。将具有一定压强的油通过油压总管及分管油被输送到各个固定在被测结构上的传感容器内，光纤通过滑轮缠绕、固定在容器内的活塞及底板上，测点的挠度/沉降增大时，光纤应变增大。

2、采用布里渊分布式光纤传感技术测试光纤的应变和温度。传感容器内的固定光纤和自由光纤相互串联，同时不同传感容器也可以利用光纤进行串联，布里渊分布式光纤传感可以同时对这样的串联光路进行分布式测量，利用每个容器内的自由光纤测试值对固定光纤实施温度补偿；布里渊分布式光纤传感的距离能够到达50km以上，说明可以串联足够多的传感容器。

3、挠度/沉降的评估系统和布里渊分布式光纤传感解调系统无缝对接，即光纤的光信号采集、解调之后就可以直接进入挠度/沉降的评估系统，对所监测的挠度/沉降实施评估，所有评估均可通过软件加以实现。

本发明检测过程和原理是：

油箱1内的油2液面保持一定高度，同时利用仪表8（可采用压力表可液位表）监测其液面高度变化，并通过油源9及输油管10进行液面高度自动控制，使其保持为常量。通过油压总管3及油压分管4将油2输送到各个固定在被测结构上的传感容器5内，传感容器5的外壳11固定在被测结构上。为了尽量减少油压在输送过程中的损失，油压总管3及油压分管4均采用摩擦系数非常小的聚四氟乙烯材料，该材料还具有耐高温、耐环境腐蚀等优点，适合长期监测使用。所有管道的进出口处，均需要进行密封处理，保证油2不外泄。

传感容器5内的检测光纤15通过滑轮14进行缠绕、固定，而两个滑轮14则分别通过连接杆13与活塞12及容器外壳11的底板相连。为了保证布里渊测试精度，检测光纤15的缠绕长度不小于2倍的布里渊解调系统的空间分解能。当测点的挠度/沉降增大时，外壳11将会随着结构一起产生相同的挠度/沉降，而由于油压恒定，容器5内的油液面水平位置相对油箱1内的液面几乎不变，也就是说活塞12与外壳11的底板之间的距离拉大，从而光纤15受拉，应变增大。光纤15是裸光纤，刚度很低，可以忽略光纤5的拉力对活塞12的影响。但是，气温变化也会影响光纤15的测试值，为此，设置自由光纤16专门传感温度影响，从而对光纤15实施温度补偿。自由光纤16一端与光纤15相连，另一端鱼光纤6连接。

连接光纤6可以串联不同传感容器5，最后与布里渊分布式光纤解调系统7相连，进行数据采集、解调，再利用无缝对接的挠度/沉降评估系统评估挠度/沉降，此处最为重要的就是不同系统之间的数据共享、调用，即软件系统之间的协议。挠度/沉降的评估方法是：

                          （1）

式中，D表示挠度/沉降量，L表示两个滑轮14轮轴之间的距离，、分别表示光纤15、光纤16的应变量测量值，、则分别表示两者的初始值。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于布里渊分布式光纤传感的结构挠度沉降监测系统，其特征是它包括：

一个液体恒压源，它为传感容器提供恒定的压力，使传感容器的液位保持不变；

    一个传感容器，它的外壳与被检测结构固定相连，它的内腔通过连接管道与液体恒压源连通，在所述的内腔中安装有能上下移动的活塞，以使传感容器中的液面在液体恒压源的压力作用下保持恒定不变；

    一传感部件，它被安装在所述的传感容器中的，所述的传感部件由环形缠绕的检测光纤组成，所述的成环形缠绕的检测光纤的一端与活塞相连，另一端与前述传感容器的底部相连，当传感容器随结构沉降导致其中的液面位置下降时，液体恒压源向传感容器中补充压力液体推动活塞上移以使液压恢复到原始状态，从而将缠绕的检测光纤的两端拉伸产生应变；

    一信号传输光纤，它的一端与检测光纤相连以便将其应变输送到布里渊分布式光纤解调系统，从而实时得到结构的沉降参数；所述的检测光纤缠绕在两个滑轮上，其中一个滑轮安装在与活塞相连的连接杆上，另一个滑轮安装在与传感容器底部相连的连接杆上；所述的检测光纤通过一根温度补偿光纤与信号传输光纤相连。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征是所述液体恒压源包括油箱，油箱通过输油管与油源相连并使油箱中的液压油的液压高度保持不变，在输油管上安装在用于监测油箱内部液面的仪表，油箱的输出端连接有输出总管，输出总管再通过输出分管与各传感容器的内腔相连通。

3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征是所述的检测光纤和温度补偿光纤为商业单模裸光纤，信号传输光纤为外覆铠甲的单模裸光纤。

4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征是所述的检测光纤缠绕的长度不小于2倍的布里渊解调系统的空间分解能。

5. 根据权利要求1所述的监测系统，其特征是所述的传感容器的数量不小于2个，所述的各信号传输光纤串接后再与布里渊分布式光纤解调系统相连。