CN104272079A - 利用至少一个光波导监测建筑或土地的区域的监测设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于监测建筑或土地区域的监测设备(1)，包括：光绞线，其用作传感器；一个光源(3)，其用于发射在所述光绞线中传输的光发射信号(4)；一个光学模拟检测器(5)，其用于检测包含从所述光绞线返回的、与所述光发射信号(4)相对应的光返回信号(6)的强度。该监测设备(1)布置为紧凑单元，且包括用于交替地启动和停止所述光源(3)的发射以使得不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000的控制装置(7)。本发明还涉及包括这样的监测设备的监测系统和在所述监测设备中实施的监测方法。

Description

利用至少一个光波导监测建筑或土地的区域的监测设备、系统和方法

技术领域

本发明涉及用于监测建筑或土地区域的监测设备。

这样的监测设备包括用作传感器的至少一个光波导。

本发明还涉及：

-包括这样的监测设备的监测系统，和

-相关的监测方法。

本发明的技术领域更具体地涉及监测建筑结构的变形的领域。

背景技术

在现有技术中，已知用于监测建筑或土地区域的监测设备，并且其包括：

-光绞线(optical strand)，其用作传感器，放置在待监测的区域中或区域上，存在于如文献EP 0 264 622 B1中所描述的部件中，具有光波导，该光波导被施加预应力到即使在受到极少变形时仍受到拉应力的程度。

-光源，其用于发射在光绞线中传输的光发射信号；

-光学模拟检测器，其用于检测包含从光绞线返回、对应于光发射信号的光返回信号的监测数据；和，

-处理装置，其用于从检测的监测数据计算监测区域的变形。

在文献EP 0 264 622 B1和US 5,044,205中详细描述了光绞线。所述文献事实上涉及带有光波导的部件，所述光波导用于监测部件的变形且在机械预应力下固定于部件上或部件中，该光波导在其至少部分长度范围内被牢固地约束到部件，并被施加预应力到即使当部件中发生由于压缩、收缩、或蠕变的变形时仍受到拉应力的程度。

同样从EP 0264 622 B1中，本领域技术人员了解到用于利用光绞线监测建筑结构变形的方法。光绞线连接到测量装置。在光绞线上施加的力具有以根据该力的强度变化的方式抑制通过光绞线发送的光的效果。通过检测光的衰减，可以从特性曲线中间接得到光绞线相对于其标称长度的伸长率的测量值。所述伸长率可以与监测的建筑结构的变形有关。

根据现有技术，光源、光学模拟检测器和处理装置放置在利用光导纤维与所述光绞线连接的远程站中。

这样的监测设备的一个缺点是其可能昂贵。

这样的监测设备的另一个缺点是其可能是脆性的。

本发明的一个目的是提出一种比根据现有技术的监测设备更牢固的监测设备。

本发明的另一个目的是提出一种比根据现有技术的监测设备更廉价的监测设备。

本发明的另一个目的是提出一种包括这样的监测设备的监测系统。

本发明的另一个目的是提出一种在这样的监测设备中实施的监测方法。

发明内容

上述目的中的至少一个利用用于通过检测与在光绞线中往返之后的光信号相关的监测数据来监测建筑或土地区域的监测设备实现，该监测设备包括：

-用作传感器的光绞线，其包括在其程度为即使在受到极小的变形时仍经受拉应力的机械预应力下的光波导；

-一个光源，其用于发射在所述光绞线中传输的光发射信号；

-一个光学模拟检测器，其用于检测包含从所述光绞线返回的与所述光发射信号相对应的光返回信号的强度的监测数据。

根据本发明的监测设备布置为紧凑单元，并且包括用于交替地启动和停止所述光源的发射以使得不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000的控制装置。

所述光绞线可以特别存在于具有光波导的部件中，所述光波导用于监测部件的变形，并在机械预应力下固定在部件上或部件中，该光波导在其至少部分长度范围内牢固地约束到所述部件，且被施加预应力到即使在部件中发生由于压缩、收缩或蠕动引起的变形时它们仍经受拉应力的程度。

通过检测光强度的衰减，可以得到光绞线相对于其标称长度的伸长率的测量值。所述伸长率可与建筑或土地的监测区域的变形有关。

控制装置可以布置为自动控制光源的发射或不发射。

根据本发明的监测设备用于通过检测光返回信号强度的衰减来监测建筑或土地区域的变形。

用于交替地启动和停止光源的发射的控制装置可以产生矩形信号。

根据本发明的一个构想是考虑不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000。

这样的在不发射持续时间和发射持续时间之间的比值是足够的，这仅是因为监测设备使用光绞线和强度检测来监测区域。实际上，可以立即得到光衰减，即使光源启动周期非常短也是如此。

利用本领域中常用的其它测量方法是不可能的。这样的方法例如为干涉测量法。这样的方法需要长的发射持续时间，优选连续的发射信号，这是因为这些方法需要长时间的信号处理。

这样的比值不可能用于任何其它设备和方法。对于给定的处理容量，利用光绞线和强度检测来确定监测区域的变形的持续时间远短于利用其它方法和设备的持续时间。

不发射持续时间和发射持续时间的巨大比值使得能够显著减少根据本发明的监测设备的能耗。

通过减少用于根据本发明的监测设备的功率供应的成本，可以显著减少与其相关联的成本。

而且，光源可以连接到储能容量极小的储能装置。这样的储能装置可以是太阳能电池、蓄电池如镍镉电池等。

这样的储能容量极小的储能装置可以直接安装在布置为紧凑单元、优选布置在单件上的监测设备中。

这使得能够将监测设备布置为紧凑单元，没有与其它远程站的任何物理连接。

因此，监测设备更为牢固，原因是没有可能容易被破坏的物理连接。

监测设备布置为单元，在单件中，这样更易于安装。而且，这需要较少的材料(没有与远程站的线连接)。因此，降低了制造成本。

有利地，根据本发明的监测设备包括用于交替地启动和停止光学模拟检测器的检测的控制装置。

检测启动的周期有利地对应于由所述检测器接收的光返回信号的周期。

通过减少非连续启动的光学模拟检测器的能耗，使得能够降低根据本发明的监测设备的能耗。

在本发明的一个优选实施方案中，光源发射和检测启动是同时进行的。

对于同一起始时刻，检测启动的周期可以比发射启动的周期更长。这使得能够考虑由于电子器件(和光发射与光接收之间的持续时间)引起的延迟。例如，发射启动的持续时间是1μs，但是检测启动的持续时间是200μs。

为了将这样的延迟考虑在内，还可以将光源发射和检测启动错开。

用于交替地启动和停止光源发射的控制装置可以布置为以每个时间周期一微秒来周期性地启动光源的发射，所述时间周期在约5和100毫秒之间。

因此，减少了能耗。

上述周期对应于约10和200Hz之间的频率。可以注意的是，利用这样的时间周期，模拟检测对应于与现有技术中的扫描频率相对应的在约10和200Hz之间的扫描频率下的数字检测。

更特别地，用于交替地启动和停止光源的发射的控制装置可以布置为以每个时间周期一微秒来周期性地启动光源的发射，所述时间周期为约5至30毫秒，更特别地，为约10至20毫秒。

这对应于约33至200Hz的频率，分别为约50至100Hz。可以注意的是，利用这样的时间周期，模拟检测对应于在更特别地与现有技术中的扫描频率相对应的为约33至200Hz、分别为约50至100Hz的扫描频率下的数字检测。

根据本发明的监测设备可以包括从光返回信号的强度计算监测数据的处理装置，该监测数据包括光绞线的长度变化。

监测设备可以包括存储器以存储监测数据。所述监测数据可以包括例如：

-光绞线长度的变化，或

-从光绞线返回的光返回信号的强度。

因此，在监测设备与任何远程站之间不需要有连续的数据交换，所述远程站例如能够随着时间编译监测数据和/或分析数据以推断关于监测区域的机械状态。

根据本发明的监测设备还可以包括用于传递数据和/或能量的电连接器。这样的用于传递数据和/或能量的电连接器可以小型化以具有小型化的监测设备。这样的电连接器的体积比光导纤维小，使得能够实现紧凑得多的安装。

所述电连接器可以是总线，即，在计算机之间传递数据的子系统，监测设备被认为是所述计算机中的一个。

用于传递数据和/能量的电连接器可以用于监测设备，以从远程基地接收数据和/或能量。

在本发明的一个优选实施方案中，监测设备还包括用于将监测数据传输到远程站的无线传输装置。

和传统解决方案不同，无线传输装置使得监测设备能够完全无连接。在监测设备和任何其它远程设备之间没有限制性线连接。

本发明还涉及一种监测系统，其包括根据本发明的监测设备和远程站(50；50'、50”)。

在根据本发明的监测系统中，

-所述监测设备包括用于将监测数据传输到所述远程站的无线传输装置；和

-所述远程站包括用于从所述光返回信号的强度变化计算包含所述光绞线的长度变化的监测数据的处理装置。

传输到所述远程站的监测数据可以包括光返回信号的强度变化。

由于光绞线长度变化的计算在远程站中进行，所以在根据本发明的监测设备中的所述处理没有能耗。这使得能够进一步减少根据本发明的监测设备的能耗。

根据本发明的监测系统可以包括几个根据本发明的监测设备，每个监测设备包括用于将监测数据传输到同一远程站的无线传输装置。

远程站可以从几个监测设备接收数据，而没有来自所述几个监测设备的任何线的堆积。

远程站可以包括供用户启动所述监测数据(从监测设备到远程站)的传输的装置。

在该实施方案的一个变化方案中，远程站可以包括用于控制监测数据(从监测设备到远程站)的传输周期的装置。

在该实施方案的另一个变化方案中，监测设备可以布置为用于以预定的周期传输监测数据。

这些变化方案可以结合。

本发明还涉及一种监测建筑或土地区域的方法，该方法在根据本发明的监测设备中实施。

根据本发明的方法包括以下步骤：

-交替地启动和停止光源的发射，使得不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000；和

-检测包含从所述光绞线返回的、对应于光发射信号的光返回信号的强度的监测数据。

通过检测光强的衰减，可以得到光绞线相对于其标称长度的伸长率的测量值。所述伸长率可以与建筑或土地的监测区域的变形相关。

上述关于根据本发明的监测设备的技术效果和优点还涉及到根据本发明的方法。

在一个优选实施方案中，仅在对应于以下周期的时间周期期间实施监测数据的检测：

-通过监测设备，光返回信号的接收周期；

-由于电子器件的延迟被添加至该接收周期。

所述方法还可以包括由光返回信号的强度计算包含光绞线长度变化的监测数据的步骤。

所述计算有利地在远程站中实施。

所述方法还可以包括将监测数据从监测设备传输到远程站的步骤。

所述监测数据可以包括例如：

-光绞线的长度变化；或

-从光绞线返回的光返回信号的强度。

在本发明的一个变化方案中，所述传输步骤周期性地实施。

在本发明的另一个变化方案中，所述传输步骤根据需求实施。

两个变化方案可以结合。

附图说明及具体实施方式

根据仔细研究绝非限制性的实施方案和附图的详细描述，本发明的其它优点和特性会变得明显，其中：

图1是根据本发明的监测设备的第一实施方案；

图2是根据本发明的监测设备的第二实施方案；

图3A和图3B是用于比较现有技术中的和根据本发明的扫描频率的两幅图；

图4A是根据本发明的监测设备的第三实施方案；

图4B是根据本发明的监测设备的第四实施方案；

图5是根据本发明的监测系统的第一实施方案；

图6示出根据本发明的监测系统和设备的应用。

虽然图示出了根据本发明的监测设备和系统，但是以下描述也可以说明在根据本发明的监测设备和/系统中实施的根据本发明的监测方法。

现在将参照图1以非限制性的方式描述根据本发明的监测设备1。

监测设备1包括连接到线性光绞线40端部的连接器2。

光绞线40用作传感器，并存在于如文献EP 0264622 B1中所描述的部件中，具有如下所述的光波导：该光波导在机械预应力下固定在该部件上或该部件中，在其至少部分长度范围内牢固地约束到部件，并被施加预应力到即使在受到小的变形时仍经受拉应力的程度。

监测设备1布置为一个单元，即，为包括光绞线40的紧凑组合件。

监测设备1还包括：

-与光绞线40相邻的一个光源3，其由在红外波段(为780nm至1000000nm)发射并发射在光绞线40中传播的光发射信号4的激光器形成；

-与光绞线40相邻的一个光学模拟检测器5，其接收光返回信号6。

光绞线40在光源附近形成使光朝向检测器返回的U形弯曲(见图4A和4B)。

监测设备1可以布置为特别包括光源3和光学模拟检测器5的外壳。该外壳与光绞线40相邻。

所述外壳的尺寸可以小于100mm(长度)x40mm(宽度)x10mm(高度)。

监测设备还包括处理装置以控制其它参数如光源的功率。

光返回信号6对应于在光绞线40中传播之后朝向监测设备1返回的光发射信号4。

光学模拟检测器5检测光返回信号6的强度并将其与光发射信号4的强度进行比较。因此，光发射信号4的一部分(未示出)朝向光学模拟检测器5，但是，光发射信号4的主要部分朝向光绞线40。

光学模拟检测器5可以由光电二极管构成。

光源3由布置为交替地启动和停止所述光源3的光发射的处理器7(控制装置)控制。

所述启动和停止是自动的且由处理器7控制。

虽然没有规定，但术语“处理器”包括处理器本身和处理器以期望的方式运行所需的软件、硬件(存储器等)。

处理器7(如同以下描述中列出的所有其它处理器)，可以用以下替代：

-微处理器(包括微处理器本身和微处理器以期望方式运行所需的软件、硬件)；

-微控制器(包括微控制器本身和微控制器以期望方式运行所需的软件、硬件)；

-以期望的方式布置的硬件和软件的任何组合件。

光发射信号4的发射对应于矩形波。

不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000。这使得能够减少根据本发明的监测设备1的总能耗。

例如，每30ms启动光源1μs。这样的启动需要平均大约30μΑ，但是如果每30ms启动光源1ms，则会需要平均700mA。平均能耗与光源发射的持续时间多于线性地增加。

光源3由电池9供应，电池9是根据本发明的监测设备1的一部分。因为光源3的能耗如上所述地减小，所以该电池9足以用于为光源3供电。在一个优选实施方案中，电池9是不可充电的电池。实际上，不可充电电池的自放电相比起可充电电池的自放电有所减少。利用不可充电电池使得能够增加监测设备1可以独立的时间周期。

在电源3和具有高储能容量的远程储能装置之间没有线。本发明使得能够节省与这样的线相关联的材料和时间。根据本发明的监测设备可以自供电长达连续5年。因此，这样优化了维护工作并对监测设备1的用户提供了安全的可用性。

电池9还用于为整个监测设备1供电，特别包括光学模拟检测器5。

当光源3、光检测器5和光绞线40形成紧凑单元时，可以称之为装配有微型集成设备1。

现在将参照图2以非限制性方式描述根据本发明的监测设备1的第二实施方案。将只描述相对于图1的不同。

图2的监测设备1包括用于交替地启动和停止光学模拟检测器5的检测的处理器11。

用于控制光学模拟检测器5的处理器11和用于控制光源3的处理器7可以是唯一的处理器。

启动检测期间的时间周期对应于接收光返回信号6期间的时间周期，由于电子器件、特别是检测器5中的电子器件引起的延迟被添加至该时间周期。

图2的监测设备1还包括从光学模拟检测器5接收数据的存储器14。

图2的监测设备1还包括用于数据的无线传输的收发器17，所述数据可以是由光学模拟检测器5检测到的数据。

可以实施将参照根据本发明的监测系统进行描述的不同操作模式。

下面将比较现有技术中的和根据本发明的扫描频率。

图3A和3B是检测的光返回信号6的强度随时间变化的图。

图3A对应于根据现有技术的检测：连续发射光发射信号4。因此，光返回信号6是利用数字检测所检测到的连续信号30。每个方形31对应于利用数字检测的一次测量。常用的扫描频率是例如100Hz。

图3B对应于根据本发明的检测：交替地发射与不发射光发射信号4。因此，光返回信号6是利用模拟检测所检测到的矩形信号32。光源3的光发射持续时间是例如每10毫秒1微秒。为了图的清楚起见，所述比值并未在图中提及。光发射的持续时间被分为至少10000份。其对应于100Hz的扫描频率，该扫描频率意味着虽然能耗可以分为10000份，但测量的质量相同。根据本发明的监测设备1使得能够实现带有极好能量平衡的高频率测量。

现在将参照图4A以非限制性的方式描述根据本发明的监测设备1的第三实施方案。

光绞线40在以下两个固定区域处固定到进行监测的建筑结构(图4A上未示出)：

-在一个端部40'处，利用与根据本发明的监测设备1的其它元件的连接，监测设备1自身固定到建筑结构；

-在另一个端部40”处，利用固定到建筑结构的支撑物42。

如图4A中可以看到的，光绞线40线性延伸。光绞线40的端部40'和40”指的是由光绞线40形成的线性组合件的端部。

由此可以检测并测量两个固定区域之间的建筑结构的变形。

现在将参照图4B以非限制性的方式描述根据本发明的监测设备1的第四实施方案。

光绞线40利用以下方式连接到进行监测的建筑结构(在图4B上未示出)：

-在一个端部40'处，利用与根据本发明的监测设备1的其它元件的连接，监测设备1自身经由支撑物46固定到建筑结构；

-在另一个端部40”处，利用与可以固定到或不固定到建筑结构另一部分的突出物45的连接。

突出物45可以相对于支撑物46沿着轴47进行平移。

所述实施方案在文献EP 0 649 000 B1中进行了详细描述，该文献中公开了一种用于监测建筑、土地区域等的测量装置，

-包括光波导弯曲传感器，其具有多模光波导并且以回路的方式布置(光绞线40)；

-具有多个弧形传感器部分，设置在相对于传感器部分牢固连接且连接到建筑或土地区域(支撑物46和突出物45)的支撑板之间；和

-包括连接到光波导弯曲传感器和带有用于衰减值的评估装置的光接收器(检测器5和处理装置13，以下参照图5可以看到描述)的光源(光源3)。

光波导弯曲传感器可以以多个回路的形式设置。

光波导弯曲传感器可以由梯度折射率多模光波导部分和与其连接的阶跃折射率多模光波导部分组成，传感器部分由梯度折射率多模光波导形成。

特别地，光绞线40的任何变形可以由连接到彼此相对的支撑板端部的偏转装置来引导。

现在将参照图5以非限制性方式描述根据本发明的监测系统100的第一实施方案。

图5还说明了根据本发明的监测设备1的其它方面。

在监测系统100中，根据本发明的至少一个监测设备1与唯一的远程站50无线传输。

图5上，根据本发明的所有的监测设备1与远程站50无线传输。

根据本发明的几个监测设备1可以安装在进行监测的同一建筑结构上。

远程站50用于从一个或更多个建筑结构采集数据，并计算表示所述建筑结构的机械状态的不同参数。远程站还可以用于控制根据本发明的监测设备1的操作。

远程站包括用于计算光绞线40的长度变化的处理器13。通过比较光发射信号4和光返回信号6的强度，处理器13可以计算光发射信号4的衰减，并将其与光波导的长度变化联系起来。本领域技术人员了解该计算，特别是从简介中提到的EP 0 264 622 B1中了解。

在所述实施方案的一个变化方案中，处理器13可以设置在监测设备1中。

可以对根据本发明的远程站和监测设备1之间的数据交换的不同操作模式进行描述：

-经济操作模式：仅根据需求启动数据传输，该需求由用户从远程站50发送到监测设备1(利用人机接口51)；

-自动操作模式：周期性启动数据传输，周期由用户从远程站50预定或控制。

存储器14使得能够在将几个数据发送到远程站50之前存储该数据。传输的数据可以涉及上一次检测或整个时间周期(例如上一个24小时)。

不同模式有差不多的能源效率，且根据以下中的至少一个参数使用：

-电池9的储能容量；

-与进行监测的结构相关联的风险(根据结构的年龄、其环境、其复杂性等)。

光源3发射和不发射的时刻可以以预定的周期彼此跟随。

光源3发射和不发射的时刻可以由用户从远程站50控制的周期彼此跟随。

图5上示出的监测设备1包括电连接器52，存在于总线CAN(控制局域网络)中。

这样的电连接器52可以用于在监测设备1中快速传递数据，例如来安装新软件。

这样的电连接器52可以用于为监测设备1供能。

这样的电连接器52可以用于利用到达远程站50的仅单根线54将至少两个监测设备1连接到远程站50。

图6说明了根据本发明的监测系统100的应用。根据本发明的几个监测设备1紧固至被监测的桥60。

根据图6说明的实施方案中，远程站存在于：

-与监测设备1无线通信的中间站点50'；

-利用互联网与中间站点50'通信的中央站点50”。

中间站点50'可以存在于充当与中央站点50”的接口的简单收发器中，中央站点50”能够从几个中间站点50'接收数据(例如每个数据与结构60对应)。

当然，本发明并不限于刚已描述的实例，且在不超出本发明的范围的情况下可以对这些实例做出很多调整。

特别地，对上述所有特性、形式、变化方案和实施方案在它们之间和彼此不相互排斥的情况下以各种结合进行结合。

Claims (12)

1.一种监测设备(1)，其用于通过检测与在光绞线(40)中往返之后的光信号相关的监测数据来监测建筑(60)或土地的区域，所述监测设备(1)包括：

-光绞线(40)，其用作传感器，包括在其程度为即使在经受小的变形时仍经受拉应力的机械预应力下的光波导；

-一个光源(3)，其用于发射在所述光绞线(40)中传输的光发射信号(4)；

-一个光学模拟检测器(5)，其用于检测包含从所述光绞线(40)返回的、与所述光发射信号(4)相对应的光返回信号(6)的强度的监测数据；其特征在于，所述监测设备(1)布置为紧凑单元，并且包括用于交替地启动和停止所述光源(3)的发射以使得不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000的控制装置(7)。

2.根据权利要求1所述的监测设备(1)，其特征在于，用于交替地启动和停止所述光源(3)的发射的所述控制装置(7)设置为以每个时间周期一微秒来周期性地启动所述光源(3)的发射，所述时间周期为5至100毫秒。

3.根据权利要求1或2所述的监测设备(1)，其特征在于，用于交替地启动和停止所述光源(3)的发射的所述控制装置(7)设置为以每个时间周期一微秒来周期性地启动所述光源(3)的发射，所述时间周期为5至30毫秒。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的监测设备(1)，其特征在于，还包括用于传递数据和/或能量的电连接器(52)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的监测设备(1)，其特征在于，还包括用于将监测数据传输到远程站(50；50’，50”)的无线传输装置(17)。

6.一种监测系统(100)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的监测设备(1)，所述监测系统(100)的特征在于还包括远程站(50；50’、50”)，以及在于：

-所述监测设备(1)包括用于将监测数据传输到所述远程站(50；50’，50”)的无线传输装置(17)；和

-所述远程站(50；50’、50”)包括用于由光返回信号(6)的强度变化来计算包含光绞线(40)的长度变化的监测数据的处理装置(13)。

7.根据权利要求6所述的监测系统(100)，其特征在于包括几个根据权利要求1至5中任一项所述的监测设备(1)，每个监测设备(1)都包括用于将监测数据传输到同一远程站(50；50’，50”)的无线传输装置(17)。

8.根据权利要求6或7所述的监测系统(100)，其特征在于，所述远程站(50；50’，50”)包括用于供用户启动所述监测数据的传输的装置(51)。

9.一种在根据权利要求1至5中任一项所述的监测设备(1)中实施的用于监测建筑(60)或土地的区域的方法，其特征在于以下步骤：

-交替地启动和停止光源(3)的发射，使得不发射持续时间和发射持续时间之间的比值大于5000；和

-检测包含从光绞线(40)返回的、与光发射信号(4)相对应的光返回信号(6)的强度的监测数据。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：将监测数据从所述监测设备(1)传输到远程站(50；50’，50”)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述传输步骤周期性地实施。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述传输步骤根据需求来实施。