CN103575332A - 一种多维多向应力应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多维多向应力应变监测系统，其特征在于：包括信息采集装置（1）、光纤监测装置（2）、数据分析平台（3）、集线箱（4）和设置在待测结构体（6）中的光纤传感装置（5）；所述光纤传感装置（5）用于感知待测结构体（6）在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置（2）通过集线箱（4）与所述光纤传感装置（5）连接，对待测结构体（6）进行分布式高精度监测；所述信息采集装置（1）与所述光纤监测装置（2）连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台（3）与所述信息采集装置（1）相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。本发明系统具有极强的可操性，及其实际运用中较强的可实现性。

Description

一种多维多向应力应变监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于PPP-BOTDA技术的多维多向应力应变监测系统，属于光纤传感技术在结构健康监测领域中的应用。

背景技术

1864年英国谢菲尔德水库堤坝溃决，造成254人的死亡；1907年加拿大魁北克桥突然全桥倒塌，造成74人死；2000年美国加州的Carlsbad市一条天然气管线泄漏并发生爆炸，造成12人死亡。大量事例表明，重大水利与土木工程在超长服役期间不可避免的遭受材料本身性能退化、不利环境荷载作用等的影响，极易引起工程结构服役性态异常，若不能及时监测和发现，极有可能导致一些灾难性事件的发生。在中国，随着大量民用军用工程的兴建，重要工程及重大结构的安全监测监控意义变得极为重大，因此，研发高分辨率、高精度、大测量范围、高信息量以及高可靠性的分布式监测技术和系统，已成为广大科研工作者和工程界高度关注的研究热点和方向。

传统的监测设备容易受到外界温度、湿度等环境影响而产生测值漂移等问题；监测方式基本为点式监测，其对大型结构体的全面监测监控基本不可能实现。目前的FBG技术虽然监测精度极高，可以达到3με的应变测量精度，但是不能真正的实现分布式监测；BOFDA技术虽然空间分辨率高，但是测量范围过小；BOCDA技术其传感距离过短，只能对光纤上单独的某一点进行监测；BOTDR技术其精度仅为±50με，且空间分辨率仅1m左右。

脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术（Pulse-PrePump Brillouin Time DomainAnalysis）具有高空间分辨率以及高测量精度，真正实现了分布式监测。该技术第一次进入了定量化的实用水平，是一种可靠的分布式监测手段，为工程安全监测提供了一种全新的思路。PPP-BOTDA分布式光纤传感技术在桩基、油井、复合材料以及预应力梁的变形监测方面有一些较成熟的应用，但基于PPP-BOTDA技术的空间多维多向应力应变分布式光纤监测目前尚没有公开的研究成果，其系统化的实现以及研究更是一个空白。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多维多向应力应变监测系统，为结构健康诊断与评估提供更加有效、准确及全面的监测信息。

技术方案：本发明所述的多维多向应力应变监测系统，包括信息采集装置、光纤监测装置、数据分析平台、集线箱和设置在待测结构体中的光纤传感装置；所述光纤传感装置用于感知待测结构体在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置通过集线箱与所述光纤传感装置连接，对待测结构体进行分布式高精度监测；所述信息采集装置与所述光纤监测装置连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台与所述信息采集装置相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。

所述光纤监测装置包括信号处理设备、泵浦光源、光电转换开关、放大器、光路控制设备、探测光源、偏控设备、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和测量计时功能用装置，所述信号处理设备的信号连接端口E和信号连接端口F分别连接泵浦光源和探测光源的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源的光信号输出端口依次连接光电转换开关和放大器和光路控制设备输入端口，后经集线箱与光纤传感装置中当前监测的光纤的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备的输入端口，后经集线箱与光纤传感装置中当前监测的光纤的末端另一跳线连接端口连接；第一光电探测器的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备的C接口连接，将探测到的泵浦光源的实际输出值传输给信号处理设备以对泵浦光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；第二光电探测器的信号输入端与探测光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备的D接口连接，将探测到的探测光源的实际输出值传输给信号处理设备以对探测光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；测量计时功能用装置的信号输入端与传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备的B接口连接实现对传输路径上光纤各点的空间定位；第三光电探测器的信号输入端与光路控制设备（11）的传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备的A接口连接，实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。

泵浦光源端口和光纤初始端相连，探测光源端口与光纤末端相接，形成光纤监测回路。在相继射入不同脉冲宽度的两个泵浦光中，由前一个泵浦光(PrePump)，预先激发声子，声波安定之后再注入用于测量的泵浦光脉冲，这样既可以保证高的空间分辨率又可以不缩短脉冲光的宽度，保证了布里渊增益及频谱形态的良好状态。当外界环境变化引起光纤变形时，其Δv_B=C_vεΔε+C_vTΔT，v_B（ε,T）=v_B(0)+C_veε+C_vTΔT，微分表达式为：

$v_B(\mathrm{\ϵ},T)=v_B\left(0\right)+\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{\mathrm{d\ϵ}}\mathrm{\ϵ}+\frac{{\mathrm{dv}}_B\left(T\right)}{\mathrm{dT}}\mathrm{\ΔT},$ 其中v_B（ε,T）表示在应变为ε、温度为T时的布里渊频移，v_B(0)表示在无应变以及初始温度下的布里渊初始频移，

为应变影响系数，

为温度影响系数。基于上述基本原理，可以实现光纤应变和温度的同时监测，PPP-BOTDA的技术原理具体参见附图2，预泵浦脉冲描述如公式所示：

式中，D为泵浦脉冲光持续时间，D_pre为脉冲预泵浦光持续的时间；从摄动理论可以推导出探测光受激布里渊散射振幅公式为：E_CW=(0，t)=A_CW(1+βH(t,Ω))。

工作时，探测光源发出的连续探测光信号；泵浦光源发出的脉冲光在光纤中产生背向布里渊散射信号的中心频率从脉冲光频率v变为斯托克斯频率v-vB（vB为布里渊频移），当连续光的频率等于斯托克斯光的频率时，连续光通过与脉冲光的布里渊放大作用而得到放大。被放大了的连续光通过滤波滤除其他频率成分后，进而可以得到待测结构体中监测用光纤各点的布里渊频移分布，通过信号处理设备上的B接口连接测量计时功能用装置来实现空间定位，通过信号处理设备上的A接口连接光电探测器实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。通过信息采集装置进行处理从而得到待测量的信息，后再经过数据分析软件平台达到最终数据的多角度多层次分析，进而揭示待测结构体的工作性态。

所述光纤传感装置由布设在待测结构体中的多维多向应力应变器组成，通过串联布设，且通过固定装置固定在待测结构体中。光纤传感装置中的光纤主要包括两大部分：传输用光纤部分以及传感用光纤部分。传输用光纤部分主要是一些传输用光缆，此光缆保护部件应具有高强度、抗侵蚀、抗氧化以及易于铺设等特性；传感用光纤主要分为光纤传感器内部特殊布设形式的重点监测用光纤以及光纤传感器外部的普通用监测光纤。

所述多维多向应力应变器为二维三向应力应变器，包括圆盘状的基盘、设置在基盘的圆周内侧的沟槽、固定件、距离标尺、角度标尺、封装件和位于光纤两端的端口跳线；所述固定件设置在基盘的圆心处及沟槽中，用于固定光纤走向；所述距离标尺穿过基盘的圆心设置，用于标定仪器内部光纤总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺设置在所述沟槽边缘处，用来标记光纤的不同方向和角度；所述封装件覆盖在所述基盘上部，通过固定件的顶部固定；所述端口跳线分别伸出基盘与外部器件相连。

信息采集装置主要通过相应的控制软件来进行控制，并通过数据传输用的PCI/PCI-X BUS Bridge Cable将其与光纤监测装置相连接。

数据分析平台主要是用来有序存储、实时处理庞杂的监测数据，可以进行应力计算和过程线分析等，本发明采用C/S(即Client/Server)结构体系，设计和研发了一套光纤监测数据分析平台，主要包括数据预存、查看图形、过程线分析和应力计算等功能模块，平台组织结构示意图见附图3。

当监测过程较长、温度计变化较大或室外实验等情况时，温度因素是必要的考虑因素之一，此时监测过程需要进行温度补偿，因此探究一种实用简单的关于多维多向应力应变监测的温度补偿方法十分必要，本发明基于应变监测研究得出温度补偿较合理的计算公式，具体表达式为：

Δ_vB1=Δ_测-Δ_初始=Δ（δ_应力+δ_温度）；

对于三向应变监测温度补偿光纤：

Δ_vB3=Δ_测-Δ_初始=Δ（δ_温度），

即可以得出：

从而建立了光纤空间多维多向应力应变监测的理论以及实际应用的温度补偿公式，根据不同的已知参数来确定使用不同的计算公式。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明系统具有极强的可操性，及其实际运用中较强的可实现性，具有测试范围广、精度高、布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优势。总体上，该监测系统具有设计理念完备新颖、设计思路完整严密、切合理论性强、可操作性强、耐久性好、抗电磁干扰等众多优点，同时具有智能化、数字化、集成化、小型化以及高精度等未来传感器所具有的众多优势。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2PPP-BOTDA技术原理图示意图；

图3数据分析软件平台组成图；

图4空间二维三向应力应变器结构示意图；

图5光纤与应变片监测结果对比分析图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本实施例将以空间二维三向应力应变器作为光纤监测装置为首选示例之一，以此来着重阐述本发明的真实性，可行性以及发明理念。下面以SMF-28e普通单模光纤为例，说明本监测系统的具体使用方案，但该系统的使用不限于此。

（一）构建本发明系统

（1）构建本发明系统装置

多维多向应力应变监测系统，如图1所示，包括信息采集装置1、光纤监测装置2、数据分析平台3、集线箱4和设置在待测结构体6中的光纤传感装置5；所述光纤传感装置5用于感知待测结构体6在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置2通过集线箱4与所述光纤传感装置5连接，对待测结构体6进行分布式高精度监测；所述信息采集装置1与所述光纤监测装置2连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台3与所述信息采集装置1相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。

光纤传感装置5由布设在待测结构体6中的多维多向应力应变器组成，通过串联布设，且通过固定装置固定在待测结构体6中。

二维三向应力应变器作为光纤监测装置，包括圆盘状的基盘18、设置在基盘18的圆周内侧的沟槽19、固定件20、距离标尺22、角度标尺23、封装件24和位于光纤21两端的端口跳线25；所述固定件20设置在基盘18的圆心处及沟槽19中，用于固定光纤21走向；所述距离标尺22穿过基盘18的圆心设置，用于标定仪器内部光纤总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺23设置在所述沟槽19边缘处，用来标记光纤的不同方向和角度；所述封装件24覆盖在所述基盘18上部，通过固定件20的顶部固定，共同完成封装的目的，进而达到保护装置免受外界破坏，增加不同环境下的工程适用性；所述端口跳线25分别伸出基盘18与集线箱相连。

所述光纤监测装置2包括信号处理设备7、泵浦光源8、光电转换开关9、放大器10、光路控制设备11、探测光源12、偏控设备13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第三光电探测器17和测量计时功能用装置16，所述信号处理设备7的信号连接端口E和信号连接端口F分别连接泵浦光源8和探测光源12的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源8的光信号输出端口依次连接光电转换开关9和放大器10和光路控制设备11输入端口，后经集线箱4与光纤传感装置5中当前监测的光纤的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备13的输入端口，后经集线箱4与光纤传感装置5中当前监测的光纤的末端另一跳线连接端口连接；

第一光电探测器14的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备7的C接口连接，将探测到的泵浦光源的实际输出值传输给信号处理设备7以对泵浦光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；第二光电探测器15的信号输入端与探测光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备7的D接口连接，将探测到的探测光源的实际输出值传输给信号处理设备7以对探测光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；测量计时功能用装置16的信号输入端与传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备7的B接口连接实现对监测用光纤各点的空间定位；第三光电探测器17的信号输入端与光路控制设备11的传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备7的A接口连接，实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。

（2）泵浦光源发射的泵浦脉冲光在本装置中传播时，可以使用阶梯函数来描述其轮廓形状，具体用H(t,Ω)=H₁(t,Ω)+H₂(t,Ω)+H₃(t,Ω)+H₄(t,Ω)表示，其中H(t,Ω)为受激布里渊散射光谱项，是由泵浦脉冲光二次积分所得，即： $H(t,\mathrm{\Ω})=\underset{0}{\overset{L}{\∫}}A(t-\frac{2z}{v_g})\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}h(z,s)A(t-s-\frac{2z}{v_g})\mathrm{dsdz},$ 其中，H₁(t,Ω)表示泵浦脉冲光，其空间分辨率对应于D(泵浦脉冲光的持续时间)，该宽光谱范围其谱分布比较扁平，对于应变监测不利；H₂(t,Ω)表示脉冲光与脉冲预泵浦光交互作用，其可以获取的与连续光相同的FWHW(半值全宽，即谱线宽Δv_B)，其用Γ_B来表示；H₃(t,Ω)表示脉冲预泵浦光与脉冲光交互作用；H₄(t,Ω)代表脉冲预泵浦光，具有低空间分辨率，窄光谱范围特性。

（3）为了完成基于本仪器的光纤监测，需要获取布里渊增益频谱：用h(z,s)来描述声子的特性，L为光纤的长度值，其表达式为：

其中v_B(z)为光纤上的测点z处的布里渊中心频率，

据此，可以获取BGS（布里渊增益频谱Brillouin Gain Spectrum）的表达式为：

其中A_CW为探测光功率，β为微扰参数。

（4）要达到利用该装置完成其整个沿线上不同方向上的分布式应变监测，控制预泵浦光以及其脉冲预泵浦光持续的时间，可以使得H₄(t,Ω)被限定在泵浦光的预泵浦长度内，且H₃(t,Ω)与H₁(t,Ω)的积分相等，这样可以保证布里渊的增益不变，并且H₂(t,Ω)可以使得布里渊增益频谱变窄，经过这样的过程之后，可以利用本二维三向应力应变器实现高精度分布式的多向应变监测。

（二）调制本发明系统

检测光纤监测装置在监测前期的闭合回路中空载运行状况。将光纤传感器件单独与光纤监测装置相连，组成闭合回路，进行基本检测，如果该传感器读数正常，且无外表损坏等状况，则认为其具备布设于待测体的基本条件。

（三）布设方案的设计

为体现其可行性，该处用其最基本的内部构造，无其他封装设备下进行光纤的三向应变监测，以0～45°～90°常见的应变花来进行布设以及监测，本待监测板的总长为82cm，其中夹具的长度为12cm，但是考虑到油压口的原因，预留1cm的缝隙，即每一端为11cm，两头夹头的长度一共为22cm，其铝合金板试验标距长度为60cm，拉伸试验的底端到试验机平台的初始距离为24.5cm。模型的参数选择为弹性模量70Gpa，泊松比0.33，通过有限元的计算，其结果显示在板上距离底端23-40cm之间范围布设，不会出现应力集中现象。

（四）设置参照比对监测装置以及布设方案

在各个方向上布设BX120-10AA型的通用应变片，考虑温度补偿影响，使用1/2桥连接信号线，在每一个应变片对应处连接另一个温度补偿用的相同型号的应变片且布设在一个自由状态下不受力的相同材料的待监测体上，与应变片相接的跳线长度应该与温度补偿用的跳线长度相等，并通过INV1861A动态应变仪和INV3060A数据采集仪相结合来采集应变片的监测结果；在固定端以及拉伸端进行切槽处理来增加与夹具的摩擦；当监测点至监测光纤固定端的距离小于光纤熔接所需要的最小剥离长度时，传感光纤回路会因此而作废，因此，光纤布设后在试验机上要有富余部分与仪器相接，本试验每端光纤富余为1m；同时要注意保护监测光纤与传输光纤的交界部分，且要具有可替换性。

（五）连接光纤监测系统进行监测以及数据采集

为了进行可行性的验证，本实施例展开了验证性试验，采用最基本的构建组合，首先对监测仪器进行校准，然后将初始端连接到泵浦光源，将光纤末端连接到探测光源，然后将待测体放置到微机控制电液伺服万能试验机上进行实验，并且采集数据。

（六）结果分析及处理

利用光纤监测数据分析软件平台，可以快速实时准确的分析试验数据。为了体现本发明的良好监测效果，本实施例绘制了光纤与应变片的监测结果对比值图，具体见图5。通过本图，可以看出光纤虽然有一定的波动性，但从整体的趋势性上看，其具有一致性的变化规律，且测值具有不断接近的趋势；误差的存在与试验时所监测的测点数目以及各个试验仪器的基本性能都有一定的关系，所以从各自监测仪器的监测结果比较分析得出，光纤与应变片在各自0°与90°上的应变监测结果有着高度的应变分布对称性，各自监测效果较好。

通过试验验证，以及进行结果对比分析，最终达到了本监测系统的要求，进而验证了本理念的合理性及可行性。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.一种多维多向应力应变监测系统，其特征在于：包括信息采集装置（1）、光纤监测装置（2）、数据分析平台（3）、集线箱（4）和设置在待测结构体（6）中的光纤传感装置（5）；所述光纤传感装置（5）用于感知待测结构体（6）在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置（2）通过集线箱（4）与所述光纤传感装置（5）连接，对待测结构体（6）进行分布式高精度监测；所述信息采集装置（1）与所述光纤监测装置（2）连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台（3）与所述信息采集装置（1）相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。

2.根据权利要求1所述的多维多向应力应变监测系统，其特征在于：所述光纤监测装置（2）包括信号处理设备（7）、泵浦光源（8）、光电转换开关（9）、放大器（10）、光路控制设备（11）、探测光源（12）、偏控设备（13）、第一光电探测器（14）、第二光电探测器（15）、第三光电探测器（17）和测量计时功能用装置（16），所述信号处理设备（7）的信号连接端口E和信号连接端口F分别连接泵浦光源（8）和探测光源（12）的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源（8）的光信号输出端口依次连接光电转换开关（9）和放大器（10）和光路控制设备（11）输入端口，后经集线箱（4）与光纤传感装置（5）中当前监测的光纤的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备（13）的输入端口，后经集线箱（4）与光纤传感装置（5）中当前监测的光纤的末端另一跳线连接端口连接；

第一光电探测器（14）的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备（7）的C接口连接，将探测到的泵浦光源的实际输出值传输给信号处理设备（7）以对泵浦光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；第二光电探测器（15）的信号输入端与探测光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备（7）的D接口连接，将探测到的探测光源的实际输出值传输给信号处理设备（7）以对探测光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；测量计时功能用装置（16）的信号输入端与传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备（7）的B接口连接实现对监测用光纤各点的空间定位；第三光电探测器（17）的信号输入端与光路控制设备（11）的传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备（7）的A接口连接，实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。

3.根据权利要求1所述的多维多向应力应变监测系统，其特征在于：所述光纤传感装置（5）由布设在待测结构体（6）中的多维多向应力应变器组成，通过串联布设，且通过固定装置固定在待测结构体（6）中。

4.根据权利要求3所述的多维多向应力应变监测系统，其特征在于：所述多维多向应力应变器为二维三向应力应变器，包括圆盘状的基盘（18）、设置在基盘（18）的圆周内侧的沟槽（19）、固定件（20）、距离标尺（22）、角度标尺（23）、封装件（24）和位于光纤（21）两端的端口跳线（25）；所述固定件（20）设置在基盘（18）的圆心处及沟槽（19）中，用于固定光纤（21）走向；所述距离标尺（22）穿过基盘（18）的圆心设置，用于标定仪器内部光纤总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺（23）设置在所述沟槽（19）边缘处，用来标记光纤的不同方向和角度；所述封装件（24）覆盖在所述基盘（18）上部，通过固定件（20）的顶部固定；所述端口跳线（25）分别伸出基盘（18）与外部器件相连。

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