CN106091971A - 基于光纤光栅的大跨度桥梁线形在线监测系统与监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，包括在待测桥梁主梁表面布置的监测线路和水箱；监测线路包括若干个沿待测桥梁主梁表面设置的监测点，每个监测点上设有一个光纤光栅水压计，所述的水箱通过水管依次与光纤光栅水压计连接；光纤光栅水压计采集的压力数据通过通信光纤传输到位于数据采集站的光纤光栅解调仪解调，数据处理装置用于根据所有光纤光栅水压计采集的压力数据及已知的各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形曲线。本发明既能满足大跨度桥梁线形的静态测量，也能满足其线形的动态测量。

Description

基于光纤光栅的大跨度桥梁线形在线监测系统与监测方法

技术领域

本发明属于光纤传感检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统和监测方法。

背景技术

近年来随着计算机技术、通信技术、传感检测等技术的不断发展，利用计算机物联网进行自动健康监测已经成为目前桥梁监测所采取的主要方法。在监测的各种参数中，桥梁线形监测是桥梁监测的重要组成部分，是桥梁安全性评价的一项重要指标。桥梁线形监测主要通过桥梁的挠度监测来实现，挠度是主梁上某一截面处的形心在垂直于轴的方向发生的纵向位移的大小，它直接反映了桥梁结构的竖向整体刚度。因此，研究桥梁动、静挠度测量方法和开发测量仪器或系统对于桥梁承载能力检测和桥梁的防震减灾有着重要的意义。

现有桥梁挠度测量方法主要有经纬仪法、水准仪法、百分表法、全站仪法、激光测量法、GPS测量法、连通管测量法、倾角测量法、光纤陀螺仪测量法等。其中经纬仪法、水准仪法、百分表法和全站仪法仅适用于人工定期检测，且测量时需要封闭交通；激光测量法虽有很高的测量精度，但易受天气和环境变化影响，不适合长期连续测量；GPS虽有全球性、全天候、连续的三维导航与定位能力，但其成本高，计算复杂，测量精度不高；光纤陀螺仪是近几年年兴起的一种桥梁线形快速检测方法，它将测量系统安装在检测车上，当检测车辆通过被检桥梁时，即可得到桥梁的线形曲线。该测量方法的优点是简单、快捷，缺点是测量精度不高，不适用于在线监测。基于倾角仪的测量方法用于大跨度桥梁的线形测量时，随着测点的增加，其测量误差不断积累，测量精度难以满足要求。连通管挠度测量法是目前主要采用的桥梁线形监测手段，在桥梁结构健康监测中得到了广泛应用。但该方法主要采用的电磁类压力变送器在实际测量中存在一些问题。如在大跨度桥梁测量中，首先要满足压力测量范围要求，必然会牺牲测量精度；在动态测量中，由于组网技术限制，数据采集的同步性难以满足要求。另外，电磁传感器需要供电、易受干扰等导致其长期稳定性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统和监测方法，既能满足大跨度桥梁线形的静态测量，也能满足其线形的动态测量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：它包括在待测桥梁主梁表面布置的监测线路和水箱；监测线路包括若干个沿待测桥梁主梁表面设置的监测点，每个监测点上设有一个光纤光栅水压计，所述的水箱通过水管依次与光纤光栅水压计连接；

光纤光栅水压计用于测量各监测点相对于水箱液面的压力数据，所有光纤光栅水压计采集的压力数据通过通信光纤传输到位于数据采集站的光纤光栅解调仪解调，光纤光栅解调仪的输出端与数据处理装置连接，数据处理装置用于根据所有光纤光栅水压计采集的压力数据及已知的各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形曲线。

按上述系统，所述的监测线路为2条，对称布置在沿待测桥梁主梁表面的两侧；位于同一条监测线路上的所有光纤光栅水压计串接复用到一根通信光纤上，与所述的光纤光栅解调仪连接。

按上述系统，所述的光纤光栅水压计包括外壳，外壳内设有弹性膜片，外壳内被弹性膜片分割为上部的感应仓和下部的液压仓，感应仓为真空环境，液压仓与水管连通；

感应仓内设有悬臂梁，悬臂梁的一端通过传力杆与弹性膜片连接，悬臂梁的另一端与用于调节、锁定悬臂梁位置的调节杆连接；悬臂梁上设有位于同一根光纤上的2个感应波长不等的光栅，光纤的2端引出。

按上述系统，所述的感应仓顶部设有真空抽气孔。

按上述系统，所述的水箱设置在待测桥梁的塔柱内，且水箱的截面面积大于1m²，水箱的中水的液面相对于各监测点具有一定的正压力差。

利用上述基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统实现的监测方法，其特征在于：根据光纤光栅水压计测得的各监测点相对于水箱液面的压力数据，结合各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形。

按上述方法，所述各监测点的竖向挠度值的计算公式为：

δ_i＝H_i-H_i0＝k·[(P_i0-P_it)-(P_O0-P_Ot)]

其中，δ_i表示第i个监测点的竖向挠度值，i≥3,i为整数；H_i表示第i个监测点的实测高程，单位为m；H_i0表示第i个监测点的初始高程；k表示压差水柱高度换算系数，单位为m/Pa；P_i0表示第i个监测点的初始压力；P_it表示第i个监测点的实测压力；P_O0表示基准点的初始压力；P_Ot表示基准点的实测压力；所述的基准点为预设的测量基准点。

按上述方法，所述的光纤光栅水压计中的光栅采用差分结构，利用信号差分方法计算各监测点相对于水箱液面的压力数据和水管内水的温度变化。

按上述方法，所述的光纤光栅水压计的灵敏度根据监测点位置设计，遵循的原则是：监测点挠度值越大时，设计光纤光栅水压计的灵敏度越低。

本发明的有益效果为：

1、通过将光纤光栅水压计应用在大跨度桥梁的线形在线监测领域，利用桥梁主梁表面的线形变化引起监测点液位变化的原理，测得的各监测点相对于水箱液面的压力数据，结合监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形曲线，既能满足大跨度桥梁线形的静态测量，也能满足其线形的动态测量。

2、采用波分复用技术，多个光纤光栅水压计的信号复用到一根通信光纤上，保证不同测点的信号检测具有同步性。

3、通过对光纤光栅压力计采用新颖的结构设计和针对不同测点的灵敏度特殊设计，大大提高了系统的测量精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例的光纤光栅水压计的结构示意图。

图3为各监测点的竖向挠度值的计算示意图。

图4为本发明一实施例的线形监测点布置示意图。

图5为本发明一实施例的桥梁静载线形曲线。

图6为本发明一实施例的桥梁测点的动挠度曲线。

图中：其中：1-待测桥梁主梁表面，2-光纤光栅水压计(2-1-调节杆、2-2-输出首端、2-3-输出末端、2-4-真空抽气孔、2-5-第一光栅、2-6-悬臂梁、2-7-传力杆、2-8-第二光栅、2-9-弹性膜片、2-10-外壳、2-11-感应仓、2-12-液压仓、2-13-进水阀)，3-通信光纤，4-水管，5-水箱，6-光纤光栅解调仪，7-数据处理装置，8-显示系统，9-基准点，10-监测点。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，如图1所示，包括在待测桥梁主梁表面1布置的监测线路和水箱5；监测线路包括若干个沿待测桥梁主梁表面1设置的监测点，每个监测点上设有一个光纤光栅水压计2，所述的水箱5通过水管4依次与光纤光栅水压计2连接；光纤光栅水压计2用于测量各监测点相对于水箱5液面的压力数据，所有光纤光栅水压计2采集的压力数据通过通信光纤3传输到位于数据采集站的光纤光栅解调仪6解调，光纤光栅解调仪6的输出端与数据处理装置7连接，数据处理装置7用于根据所有光纤光栅水压计2采集的压力数据及已知的各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形曲线。本系统还可以包含显示系统8，用于显示桥梁主梁线形曲线。

优选的，所述的监测线路为2条，对称布置在沿待测桥梁主梁表面1的两侧；位于同一条监测线路上的所有光纤光栅水压计2串接复用到一根通信光纤3上，与所述的光纤光栅解调仪6连接。

进一步细化的，如图2所示，所述的光纤光栅水压计2包括外壳2-10，外壳2-10内设有弹性膜片2-9，外壳2-10内被弹性膜片2-9分割为上部的感应仓2-11和下部的液压仓2-12，感应仓2-11为真空环境，液压仓2-12与水管4连通；感应仓2-11内设有悬臂梁2-6，悬臂梁2-6的一端通过传力杆2-7与弹性膜片2-9连接，悬臂梁2-6的另一端与用于调节、锁定悬臂梁2-6位置的调节杆2-1连接；悬臂梁2-6上设有位于同一根光纤上的2个感应波长不等的光栅，即第一光栅2-5和第二光栅2-8，光纤的2端引出，即输出首端2-2和输出末端2-3。每个光纤光栅水压计2的悬臂梁2-6位置是可以调节的，当光纤光栅水压计2达到初压后，通过调节杆2-1锁定悬臂梁2-6的位置。

优选的，为了加工方便，所述的感应仓2-11顶部设有真空抽气孔2-4；所述的液压仓2-12底部设有与水管4连接的进水阀2-13。本实施例中，所述的水管4为PPR连通管。

按上述系统，所述的水箱设置在待测桥梁的塔柱内，且水箱的截面面积大于1m²，水箱的中水的液面相对于各监测点具有一定的正压力差。

在塔柱内设置一个测量基准点，用于测量水箱5液位的变化，是挠度测量补偿的依据。

利用上述基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统实现的监测方法，根据光纤光栅水压计2测得的各监测点相对于水箱5液面的压力数据，结合各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形。

所述的光纤光栅水压计中的光栅采用差分结构，利用信号差分方法计算各监测点相对于水箱液面的压力数据和水管内水的温度变化。

当监测点位置变化或环境温度(即水管4内水的温度)变化，都会引起光纤光栅水压计2中2个光栅波长的变化，分别表示为：

Δλ₁＝K₁·P+K_T1·ΔT (1)，

Δλ₂＝-K₂·P+K_T2·ΔT (2)，

式中：Δλ₁、Δλ₂分别为第一光栅2-5、第二光栅2-8的波长变化量；K₁、K₂分别为第一光栅2-5、第二光栅2-8的压力灵敏度系数，K_T1、K_T2分别为第一光栅2-5、第二光栅2-8的温度灵敏度系数，P、ΔT分别为该光纤光栅水压计2测得的压力数据和水管4内水的温度变化值；其中K₁、K₂、K_T1、K_T2已知；

联立公式(1)和(2)，以Δλ₁-Δλ₂和Δλ₁+Δλ₂作为传感参量，实现压力数据和温度变化值的同步测量。

为了计算方便，可以选用K₁＝K₂＝K_P,K_T1＝K_T2＝K_T的第一光栅2-5和第二光栅2-8，那么：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{K_1+K_2}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{2K_P}---\left(3\right),$

$\mathrm{\Δ}T=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{K_{T1}+K_{T2}}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1+{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{2K_T}---\left(4\right),$

计算出每个光纤光栅水压计2的相对于水箱5液面的压力数据后，则计算各监测点10的竖向挠度值，如图3所示，所述各监测点的竖向挠度值的计算公式为：

δ_i＝H_i-H_i0＝k·[(P_i0-P_it)-(P_O0-P_Ot)]

其中，δ_i表示第i个监测点的竖向挠度值，i≥3,i为整数；H_i表示第i个监测点的实测高程，单位为m；H_i0表示第i个监测点的初始高程；k表示压差水柱高度换算系数，单位为m/Pa；P_i0表示第i个监测点的初始压力；P_it表示第i个监测点的实测压力；P_O0表示基准点9的初始压力；P_Ot表示基准点9的实测压力；所述的基准点9为预设的测量基准点。

所述的光纤光栅水压计的灵敏度根据监测点位置设计，遵循的原则是：监测点挠度值越大时，设计光纤光栅水压计的灵敏度越低。

本实施例中，被测桥梁为主跨1280m的大跨度悬索桥，桥梁主梁宽度约为38m，双向6车道，汽车限速100km/h。本实施例的检测方案：通过重为30t的三轴装卸车进行加载。(1)42辆车，分7排，每排6辆，排间距32m，对称布置在主梁L/4截面处，测量桥梁主梁的静载线形；(2)2辆车在上游同侧并排以36km/h的速度从L/4截面向3L/4截面同向行驶，测量L/4、L/2、3L/4截面的动态挠度。

本实施例在实施过程中：

a)每条监测线路设置9个监测点，如图4所示，测点位置分别为北塔附近、L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8、南塔附近，桥梁主梁1上下游侧对称设置2条监测线路。

b)水箱5的截面尺寸为1000mm×1000mm，安装在北塔上游侧塔柱内，安装高度35米。

c)水管4的截面尺寸为φ16mm，与光纤光栅水压计2和水箱5连接时，均采用不锈钢软水管。

d)在安装水箱5的塔柱上设置测量基准点，安装高度为30米。

e)每个监测点上设置1个光纤光栅水压计2，采用波分复用到一根光纤上，设计传感光栅应满足波分复用和检测要求，9个监测点的光栅波长设计为：9-1：(1286.5nm，1288.5nm)，9-2：(1290nm，1292nm)，9-3：(1293.5nm，1295.5nm)，9-4：(1297nm，1299nm)，9-5：(1300.5nm，1302.5nm)，9-6：(1304nm，1306nm)，9-7：(1307.5nm，1309.5nm)，9-8：(1311nm，1313nm)，9-9：(1314.5nm，1316.5nm)，用于补偿的光纤光栅水压计光栅波长设计为(1318nm，1320nm)。

信号解调采用波长调制型光纤光栅解调仪6，其最高采样频率为50Hz，本实施例中，采样频率为5Hz,光源波长带宽范围为1283～1325nm。本实施例中测得的桥梁静态线形曲线如图5所示，从图5可以看出，本实施例的精度完全符合要求。L/4、L/2、3L/4截面的动态挠度曲线如图6所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：它包括在待测桥梁主梁表面布置的监测线路和水箱；监测线路包括若干个沿待测桥梁主梁表面设置的监测点，每个监测点上设有一个光纤光栅水压计，所述的水箱通过水管依次与光纤光栅水压计连接；

光纤光栅水压计用于测量各监测点相对于水箱液面的压力数据，所有光纤光栅水压计采集的压力数据通过通信光纤传输到位于数据采集站的光纤光栅解调仪解调，光纤光栅解调仪的输出端与数据处理装置连接，数据处理装置用于根据所有光纤光栅水压计采集的压力数据及已知的各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形曲线。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：所述的监测线路为2条，对称布置在沿待测桥梁主梁表面的两侧；位于同一条监测线路上的所有光纤光栅水压计串接复用到一根通信光纤上，与所述的光纤光栅解调仪连接。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅水压计包括外壳，外壳内设有弹性膜片，外壳内被弹性膜片分割为上部的感应仓和下部的液压仓，感应仓为真空环境，液压仓与水管连通；

感应仓内设有悬臂梁，悬臂梁的一端通过传力杆与弹性膜片连接，悬臂梁的另一端与用于调节、锁定悬臂梁位置的调节杆连接；悬臂梁上设有位于同一根光纤上的2个感应波长不等的光栅，光纤的2端引出。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：所述的感应仓顶部设有真空抽气孔。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统，其特征在于：所述的水箱设置在待测桥梁的塔柱内，且水箱横截面面积大于1m²，水箱中水的液面相对于各监测点具有一定的正压力差。

6.利用权利要求1所述的基于光纤光栅传感的大跨度桥梁线形在线监测系统实现的监测方法，其特征在于：根据光纤光栅水压计测得的各监测点相对于水箱液面的压力数据，结合各监测点初始位置，计算各监测点的竖向挠度值，通过曲线拟合的方法拟合出桥梁主梁线形。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述各监测点的竖向挠度值的计算公式为：

δ_i＝H_i-H_i0＝k·[(P_i0-P_it)-(P_O0-P_Ot)]

其中，δ_i表示第i个监测点的竖向挠度值，i≥3,i为整数；H_i表示第i个监测点的实测高程，单位为m；H_i0表示第i个监测点的初始高程；k表示压差水柱高度换算系数，单位为m/Pa；P_i0表示第i个监测点的初始压力；P_it表示第i个监测点的实测压力；P_O0表示基准点的初始压力；P_Ot表示基准点的实测压力；所述的基准点为预设的测量基准点。

8.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述的光纤光栅水压计中的光栅采用差分结构，利用信号差分方法计算各监测点相对于水箱液面的压力数据和水管内水的温度变化。

9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述的光纤光栅水压计的灵敏度根据监测点位置设计，遵循的原则是：监测点挠度值越大时，设计光纤光栅水压计的灵敏度越低。