CN106248270A - 一种实时连续测量应力变化的方法及系统 - Google Patents

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陈斌
张俊杰
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    • G—PHYSICS
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    • G01L5/04—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands

Abstract

本发明公开了一种实时连续测量应力变化的方法及系统，其中，所述方法包括：将紧套方式处理过的光纤放入钢缆中去取代钢缆中的一股钢丝；通过测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。采用的光纤传感技术，可以实时的、连续的检测到钢缆的每一个位置的应力，从而实现灾难预警，同时也为维修带来了方便，我们可以很方便直接得知道潜在危险的具体位置和程度。

Description

一种实时连续测量应力变化的方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤应力传感技术领域，可用于桥梁、隧道、建筑和电梯等应力测试，尤其涉及的是一种实时连续测量应力变化的方法及系统。
背景技术
钢缆的受力情况是反应钢缆是否处于正常运营状态的重要标志之一，准确测量钢缆的应力具有非常重要的实际意义。现有的钢缆应力测量方法主要有压力传感器法、振频法等，其计算结果往往存在较大的不确定性，测量精度较低。目前也有一些应力检测方法是将光纤传感器置于锚固区，但是检测前要反复的标定，这种方法存在很大的误差，并且不能实现实时的对钢缆的每一个位置的应力检测。
有鉴于此，现有的钢缆检测技术根本无法达到实时、连续的监控和预警,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实时连续测量应力变化的方法及系统，可以实时的对钢缆的每一个位置进行监控，对灾害的预警和设备的维修都带来很大的方便。
本发明的技术方案如下：
一种实时连续测量应力变化的方法，用于测试钢缆的应力；其中，所述方法包括以下步骤：
S1、将紧套方式处理过的光纤放入钢缆中去取代钢缆中的一股钢丝；
S2、通过测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。
优选的，所述实时连续测量应力变化的方法，其中，所述测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化具体包括：
脉冲的泵浦光在光纤通过布里渊散射产生布里渊增益，探测光通过频率扫描方式测量布里渊增益谱，当探测光的频率与布里渊增益谱的极大值一致时，得到最大的放大；探测光不同时间扫出的布里渊增益谱就是光纤不同位置的增益谱，不同时间的增益浦的极大值就是光纤中不同位置的布里渊散射频移量，即光纤不同位置的应变大小。
优选的，所述实时连续测量应力变化的方法，其中，所述泵浦光和探测光通过如下方式获得：
频率为ν0的窄线宽激光器经过分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。
优选的，所述实时连续测量应力变化的方法，其中，
泵浦光与探测光在光纤中相向传输，泵浦光在光纤中形成布里渊增益，当探测光的频移量调节到布里渊增益谱，其能量得到最大的放大；
提取被放大的探测光，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号；
将电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；
通过通过调制信号源驱动，使频移量νB可以程序调节；扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出光纤每一个位置的所受到的应变的大小。
优选的，所述实时连续测量应力变化的方法，其中，还包括：
通过钢缆的每一个位置的应力的检测结果，与预先存储的数据进行比较，对超过一定应力的位置进行预警。
优选的，所述实时连续测量应力变化的方法，其中，所述钢缆为桥梁钢缆、建筑塔吊钢缆或电梯钢缆。
一种实时连续测量应力变化的系统，其中，包括：
光纤传感器和紧套方式处理过的光纤；所述光纤传感器测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。
优选的，所述的实时连续测量应力变化的系统，其中，所述光纤传感器包括：相互连接的光源模块和处理模块；
其中，所述光源模块进一步包括：频率为ν0的窄线宽激光器、第一分路器、第一调制器、第二调制器和偏振控制器；频率为ν0的窄线宽激光器经过第一分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。
优选的，所述的实时连续测量应力变化的系统，其中，所述处理模块进一步包括：计算机、信号采集与控制单元、探测与放大单元、偏压控制器和驱动第二调制器的调制信号源；
信号采集与控制单元把探测与放大单元输出的电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；
计算机同步信号采集与控制单元、偏压控制器和调制信号源的工作，接收信号采集与控制单元输出的数字信号，通过扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出应变传感光纤每一个位置的所受到的应变的大小。
优选的，所述的实时连续测量应力变化的系统，其中，所述处理模块还包括：第二分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器；
第二分路器取出部分泵浦光和探测光，反馈给偏压控制器，使偏压控制器控制第一、第二调制器的直流偏置电压；依次连接的分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器提取被放大的探测光，输入到探测与放大单元，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号。
相比现有的钢缆应力检测方法，本发明具有以下优点：
(1)经过紧套处理的光纤既可以像普通钢丝一样承受应力、拉力，又可以将钢缆所受到的应力传给光纤进行测量；
(2)采用的光纤传感技术，可以实时的、连续的检测到钢缆的每一个位置的应力，从而实现灾难预警，同时也为维修带来了方便，我们可以很方便直接得知道潜在危险的具体位置和程度。
附图说明
图1为本发明所述实时连续测量应力变化的方法的流程图。
图2为本发明所述实时连续测量应力变化的系统的较佳实施例的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种一种实时连续测量应力变化的方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明所述实时连续测量应力变化的方法的流程图。如图所示，所述方法包括以下步骤：
S1、将紧套方式处理过的光纤放入钢缆中去取代钢缆中的一股钢丝；
S2、通过测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。其可以实时的、连续的检测钢缆每一个位置的应力情况并对其进行判断和预警。
光纤中存在一种称为布里渊散射的物理现象，布里渊散射使在光纤中传输的光波发生频移，频移量与光纤的密度有关系。当光纤的某处受到拉伸(应变)，该处的密度会发生变化，因而该处的布里渊散射光的频移量会发生变化。通过测量光纤某个位置的布里渊散射光的频移量的变化，就可以测量光纤该处所受到的应变大小。这就是利用光纤中的布里渊散射现象测量光纤所受应变大小的物理基础。这里采用紧套的方式处理光纤(会有很多层的处理)，使这一股光纤既满足普通钢丝的功能又能进行光纤传感，然后用这一个光纤去取代钢缆中的一股钢丝即可。钢缆的应用可以非常的广泛，如桥梁的钢缆、建筑塔吊的钢缆、电梯的钢缆。其中，应力的检测：通过紧套的处理方式，在钢缆中使得光纤周围钢丝的应力可以传导给光纤，然后通过分析光纤的纵向形变，从而实现应力的检测。实现判断和预警：通过检测的结果，我们可以对每一个位置的应力大小进行判断，然后可以对超过一定应力小的位置进行预警。
进一步的，所述实时连续测量应力变化的方法中，所述测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化具体包括：脉冲的泵浦光在光纤通过布里渊散射产生布里渊增益，探测光通过频率扫描方式测量布里渊增益谱，当探测光的频率与布里渊增益谱的极大值一致时，得到最大的放大；探测光不同时间扫出的布里渊增益谱就是光纤不同位置的增益谱，不同时间的增益浦的极大值就是光纤中不同位置的布里渊散射频移量，即光纤不同位置的应变大小。
更进一步的，所述实时连续测量应力变化的方法中，所述泵浦光和探测光通过如下方式获得：频率为ν0的窄线宽激光器经过分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。
更进一步的，所述实时连续测量应力变化的方法中，泵浦光与探测光在光纤中相向传输，泵浦光在光纤中形成布里渊增益，当探测光的频移量调节到布里渊增益谱，其能量得到最大的放大；提取被放大的探测光，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号；将电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；通过通过调制信号源驱动，使频移量νB可以程序调节；扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出光纤每一个位置的所受到的应变的大小。另外，还可以通过其实现预警：通过钢缆的每一个位置的应力的检测结果，与预先存储的数据进行比较，对超过一定应力的位置进行预警。至于预警的方式可以根据需要采用多种形式，这里就不一一赘述了。
本发明还提供了一种实时连续测量应力变化的系统，其包括：
光纤传感器和紧套方式处理过的光纤；所述光纤传感器测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。
其中，所述光纤传感器包括：相互连接的光源模块和处理模块。请进一步参阅图2，在本实施例中，所述光源模块进一步包括：频率为ν0的窄线宽激光器、第一分路器、第一调制器、第二调制器和偏振控制器；频率为ν0的窄线宽激光器经过第一分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。另外，所述处理模块进一步包括：计算机、信号采集与控制单元、探测与放大单元、偏压控制器和驱动第二调制器的调制信号源；信号采集与控制单元把探测与放大单元输出的电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；计算机同步信号采集与控制单元、偏压控制器和调制信号源的工作，接收信号采集与控制单元输出的数字信号，通过扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤(图2中，所述光纤采用应变传感单模光纤，为了描述方便，采用光纤表示，下同)位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出应变传感光纤每一个位置的所受到的应变的大小。所述处理模块还包括：第二分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器；第二分路器取出部分泵浦光和探测光，反馈给偏压控制器，使偏压控制器控制第一、第二调制器的直流偏置电压；依次连接的分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器提取被放大的探测光，输入到探测与放大单元，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号。
综上所述，本发明所述的实时连续测量应力变化的方法及系统，其中，所述方法包括：将紧套方式处理过的光纤放入钢缆中去取代钢缆中的一股钢丝；通过测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。采用的光纤传感技术，可以实时的、连续的检测到钢缆的每一个位置的应力，从而实现灾难预警，同时也为维修带来了方便，我们可以很方便直接得知道潜在危险的具体位置和程度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种实时连续测量应力变化的方法，用于测试钢缆的应力；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将紧套方式处理过的光纤放入钢缆中去取代钢缆中的一股钢丝；
S2、通过测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。
2.根据权利要求1所述实时连续测量应力变化的方法，其特征在于，所述测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化具体包括：
脉冲的泵浦光在光纤通过布里渊散射产生布里渊增益，探测光通过频率扫描方式测量布里渊增益谱，当探测光的频率与布里渊增益谱的极大值一致时，得到最大的放大；探测光不同时间扫出的布里渊增益谱就是光纤不同位置的增益谱，不同时间的增益浦的极大值就是光纤中不同位置的布里渊散射频移量，即光纤不同位置的应变大小。
3.根据权利要求2所述实时连续测量应力变化的方法，其特征在于，所述泵浦光和探测光通过如下方式获得：
频率为ν0的窄线宽激光器经过分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。
4.根据权利要求3所述实时连续测量应力变化的方法，其特征在于，
泵浦光与探测光在光纤中相向传输，泵浦光在光纤中形成布里渊增益，当探测光的频移量调节到布里渊增益谱，其能量得到最大的放大；
提取被放大的探测光，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号；
将电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；
通过通过调制信号源驱动，使频移量νB可以程序调节；扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出光纤每一个位置的所受到的应变的大小。
5.根据权利要求1所述实时连续测量应力变化的方法，其特征在于，还包括：
通过钢缆的每一个位置的应力的检测结果，与预先存储的数据进行比较，对超过一定应力的位置进行预警。
6.根据权利要求1所述实时连续测量应力变化的方法，其特征在于，所述钢缆为桥梁钢缆、建筑塔吊钢缆或电梯钢缆。
7.一种实时连续测量应力变化的系统，其特征在于，包括：
光纤传感器和紧套方式处理过的光纤；所述光纤传感器测量光纤相应位置的布里渊散射光的频移量的变化，得到光纤该处所受到的应变大小；从而实时连续的检测到钢缆的每一个位置的应力。
8.根据权利要求7所述的实时连续测量应力变化的系统，其特征在于，所述光纤传感器包括：相互连接的光源模块和处理模块；
其中，所述光源模块进一步包括：频率为ν0的窄线宽激光器、第一分路器、第一调制器、第二调制器和偏振控制器；频率为ν0的窄线宽激光器经过第一分路器后分为两路；其中一路依次经过第一调制器和偏振控制器后，变成为脉冲的其偏振方向随机变化的泵浦光；另外一路经过第二调制器后，产生频移νB，变成频率为ν0±νB的探测光。
9.根据权利要求8所述的实时连续测量应力变化的系统，其特征在于，所述处理模块进一步包括：计算机、信号采集与控制单元、探测与放大单元、偏压控制器和驱动第二调制器的调制信号源；
信号采集与控制单元把探测与放大单元输出的电信号转换为数字量，并进行实时累加，提高信噪比；
计算机同步信号采集与控制单元、偏压控制器和调制信号源的工作，接收信号采集与控制单元输出的数字信号，通过扫描调制信号源的频率，得到不同的光纤位置的布里渊增益谱，经过数字算法，最后输出应变传感光纤每一个位置的所受到的应变的大小。
10.根据权利要求9所述的实时连续测量应力变化的系统，其特征在于，所述处理模块还包括：第二分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器；
第二分路器取出部分泵浦光和探测光，反馈给偏压控制器，使偏压控制器控制第一、第二调制器的直流偏置电压；依次连接的分路器、第一环行器、滤波器和第二环行器提取被放大的探测光，输入到探测与放大单元，把被放大的探测光转换为一定电平的电信号。
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