CN106482792A - 基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，主要包括光纤传感系统、数据采集系统、数据通讯与传输系统、数据分析及处理系统和评估与报警系统；数据采集系统用于对光纤传感系统输出的光信号功率进行智能采集，采集的数据通过无线网络或专用网向数据通讯与传输系统进行传输，数据通讯与传输系统将采集的数据远程传送至数据分析及处理系统，数据分析及处理系统对接收到的数据进行分析和处理，得到监测信息并呈现监测结果，评估与报警系统负责对监测结果进行评估，若超过阈值则及时发出报警信息。本系统能准确测量光纤沿线各点的应力、应变、损伤等信息，使单位信息获取成本大大降低，并能对桥梁损伤和劣化实时监测、及时预警。

Description

基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统

技术领域

本发明属于桥梁监测方法技术领域，尤其是涉及一种利用布里渊散射的分布式光纤传感技术进行桥梁健康监测的系统，可以实现对桥梁进行二维区域面和三维块体的大范围连续场的长距离、高空间分辨率、高精度、抗电磁干扰、无职能障碍的在线实时动态监测网络，并基于监测数据进行自动诊断和报警。

背景技术

桥梁在在使用过程中由于受各种因素的影响，结构各部分会存在不同程度的损伤和劣化。如果这些损伤不能及时得到监测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌而引起灾难性事故，因而对该领域的传感和安全监测技术提出了更高的要求。目前广泛应用于桥梁监测中的机械式传感技术简单实用，但该技术不易实现数据的自动采集，无法满足灾害与事故实时监测的需求；电阻式、压电式、振弦式等原理的电类传感技术目前在桥梁监测中发挥主要作用，但是电类传感器为有源器件，长期稳定性差、易受电磁干扰、组网复杂、信号传输距离短等弊端不仅影响了监测结果的准确度与稳定性，而且需要额外的信号传输设备，增加了系统的复杂性；随着自动检测技术的发展，大量新兴技术应用于安全监测中，如无线传感器与传感网络、GPS、直流电阻率法、微震监测等测量技术，但这些技术易受环境噪声干扰，对于复杂环境中的监测存在技术瓶颈。

与传统的机械式、电式传感监测技术相比，光纤传感技术的传感系统与仪器具有抗电磁干扰、防水性能强、体积小、质量轻、便于埋入材料或结构内部进行无损检测、动态范围宽、灵敏度高、传感信息传输距离远、封装工艺简单灵活、通过复用技术实现大规模组网等突出特点。光纤传感器分为点式、准分布式和全分布式，点式只适合测单个定点的参数，准分布式可以一次多点但性价比不高，而全分布式光纤传感器能够连续测量一整根光纤上的温度、压力和振动信息，并且传输距离远，在一些远距离连续测量的场合比点式光纤传感器更适用，所以研发一种基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，为掌握桥梁安全状态以及为桥梁维修加固的决策提供有效信息支持，是十分有价值的。

(一)布里渊散射的传感机理

在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。其中，布里渊散射式光波与声波在光纤中传播时相互作用产生的光散射过程，在不同条件下布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。

布里渊散射光的强度受温度和应变的影响，布里渊散射光强度如下式所示：

式中，I_B表示布里渊散射光强度，I_R表示瑞利散射光强度，T_F表示玻璃的假想温度，ρ表示材料密度，B_T表示等温压缩率，V_A表示声学声子的速率，T表示绝对温度。

从布里渊散射光强度公式可知，温度是布里渊散射光强度的最直接相关变量，但由于材料密度和声学声子速率对温度和应变有一定的影响，因此，这两个变量也可以说是布里渊散射光强度的间接影响变量。

布里渊散射光功率和频移可以用来测量温度和应变的分布。如果布里渊散射光功率测量得到，首先需要进行光纤固有损耗的归一化，通常选择宽带光源的瑞利散射OTDR信号轨迹相比对做这个归一化处理。如果需要同时测量温度和应变，那么归一化的布里渊散射光功率和布里渊频移都需要被测量得到。布里渊散射光功率和频移与被测量的传感量温度和应变成线性关系，如下式所示：

P_B[T(z),ε(z)]-P_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_P,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_P,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

ν_B[T(z),ε(z)]-ν_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_ν,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_ν,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

式中，z表示沿传感光纤上的位置，P_B(T,ε)表示分布式布里渊散射光功率，ν_B(T,ε)表示分布式布里渊散射光频移，P_B(T₀,ε₀)表示通过实验在z₀位置处标定的参考布里渊散射光功率，ν_B(T₀,ε₀)表示通过实验在z₀位置处标定的参考布里渊散射光频移，C_P,T、C_P,ε、C_ν,T和C_ν,ε表示通过实验标定出来的线性系数。

根据传感光纤上沿线不同位置处反射回来的布里渊散射光强度和频移量，可实现基于布里渊散射的分布式温度和应变传感，如下式所示：

式中，ΔT为温度变化量，Δε为应变变化量。

目前，基于布里渊散射的温度/应力传感技术主要有布里渊光时域反射(BOTDR)技术、布里渊光时域分析(BOTDA)技术、布里渊光频域分析(BOFDA)技术和布里渊相关域分析(BOCDA)技术这几种典型的传感方案，其中BOTDA技术的信号检测相对比较容易，国内外的研究也比较成熟，已有成套的基于BOTDA技术的分布式光纤传感系统。

(二)BOTDR光纤传感系统工作流程

以BOTDA技术为例进行说明：处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应，两光束相互之间发生能量转移；当光纤的某一部分温度或应变发生变化时，那里的布里渊频移便随之发生变化，引起该部分的BOTDA信号变化，通过调谐使入射脉冲光和连续光之间的频差等于新的布里渊频移，便能接收到该点的布里渊散射信号；由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因而对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤个小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变和振动信息。

发明内容

本发明的目的在于针对现有桥梁监测传感技术中机械式、电式传感技术的弊端，以及已有的监测方法仅可以进行单点监测的不足，提供一种基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁监测系统，这种方案不仅有比传统方法更好的适用性，而且可以实现对桥梁进行二维区域面和三维块体的大范围连续场的实时监测，使单位信息的获取成本大大降低，大大提高了性价比。

为了实现本发明的目的，本发明采用下述技术方案。

设计一种基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，该监测系统主要包括光纤传感系统、数据采集系统、数据通讯与传输系统、数据分析及处理系统和评估与报警系统；光纤传感系统主要包括传感光纤和光解调仪，数据采集系统用于对光纤传感系统输出的光信号功率进行智能采集，采集的数据通过无线网络或专用网向数据通讯与传输系统进行传输，数据通讯与传输系统将采集的数据远程传送至数据分析及处理系统，数据分析及处理系统对接收到的数据进行分析和处理，得到监测信息并呈现监测结果，评估与报警系统负责对监测结果进行评估以掌握被监测的桥梁健康安全情况，若超过阈值则及时发出报警信息。

本发明的优点：传感器以二氧化硅为纤芯材料，光信号作为载体，具有抗电磁干扰、防水、耐高温等特点，比金属传感器具有更好的耐久性；光纤传感器体积小、质量轻，便于铺设；可以实现对特大桥实现长距离、全方位监测；本系统可以准确测量光纤沿线各点的应力、应变、损伤等信息，使单位信息的获取成本大大降低，更加经济；本系统可以实现对桥梁损伤和劣化实时监测的分析，对损伤和劣化自诊断并及时预警。

附图说明

图1为BOTDA光纤传感系统工作流程图，其中，EOM1和EMO2为光电调制器，EDFA为掺铒光纤放大器，ISO为隔离器，PC为偏振控制器。

图2为本发明一种实施例的监测系统构成图。

图3为本发明一种实施例的传感光纤布设示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了进一步阐述本发明为达到预定目的所采用的技术手段，现用实施实例进行说明。

本发明提供一种基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统(简称监测系统，参见图1-3)，该监测系统主要包括光纤传感系统、数据采集系统、数据通讯与传输系统、数据分析及处理系统和评估与报警系统。光纤传感系统主要包括传感光纤和光解调仪，数据采集系统用于对光纤传感系统输出的光信号功率进行智能采集，采集的数据通过无线网络或专用网向数据通讯与传输系统进行传输，数据通讯与传输系统将采集的数据远程传送至数据分析及处理系统，数据分析及处理系统对接收到的数据进行分析和处理，得到监测信息并呈现监测结果，评估与报警系统负责对监测结果进行评估以掌握被监测的桥梁健康安全情况，若超过阈值则及时发出报警信息。

所述监测信息包括被监测桥梁温度、应力、裂缝、振动、钢筋锈蚀等。

所述数据分析及处理系统为PC应用平台。

所述传感光纤为分布式传感光纤，其布设方式有预埋和敷设两种，预埋时可以直接浇筑在桥梁构件的混凝土中，敷设时可以直接粘贴在结构表面。传感光纤可通过S形、直线布设、网状(#形)布设等形式实现对桥梁进行二维或三维的监测，具体布设时根据被监测结构的物理力学特点和监测重点视具体情况选择。如图3所示，根据监测目的和桥梁特点规划传感光纤的布设方案，在此假设欲监测梁构件中的受力钢筋内力、混凝土结构的应变；为监测钢筋内力，可采用沿受力筋表面粘贴传感光纤的布设方法，如图3中(a)所示；粘贴前首先将传感光纤保持一定的预拉应力，然后将粘贴剂将传感光纤完全粘贴在被测的受力钢筋的表面，并在端侧预留一定长度的传感光纤，然后将带有传感光纤的钢筋浇筑在混凝土中；为测量应变，可将分布式传感光纤粘贴在梁试件的上下表面，如图3中(b)所示。

所述光纤传感系统为基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的分布式光纤传感系统。

优选的，所述传感光纤以二氧化硅为纤芯材料。

现结合图1对BOTDA光纤传感系统的工作流程进行说明。入射端激光器发出激光，激光通过耦合器分为均等的两路信号：一路激光信号通过一个光电调制器(EOM1)的调制变为一束脉冲光(即为泵浦光脉冲)，然后通过掺铒光纤放大器(EDFA)的放大作用放大后再通过隔离器(ISO)进入传感光纤，另一束光信号通过光电调制器(EOM2)并被调制。为了能够实现输出信号的最大化和传输特性的平坦化，光信号在通过EOM2之前需由偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。两路光信号进入传感光纤后，当传感光纤一个区域的布里渊频移等于该处探测光与泵浦光的频差时，在这个地方就会有布里渊放大效应发生，两个光信号之间的能量就会产生转移现象，但总能量还是不变的。因为温度、应变与布里渊频移是线性相关的，所以只要在对两路光信号频率进行连续调节的同时，通过检测从传感光纤另一端耦合出来的光信号功率，就可以得到传感光纤延长度方向上各个区域段上的发生最大能量转移时所对应的频率差，这样就实现了通过传感光纤分布式测量结构的温度和变形。

所述监测系统在使用前，优选的，进行参数标定和设置，具体操作为：对梁结构施加不同等级的荷载，辅以其他测量手段，对光纤传感系统参数进行标定和设置，以取得最好的测试效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，该监测系统主要包括光纤传感系统、数据采集系统、数据通讯与传输系统、数据分析及处理系统和评估与报警系统；光纤传感系统主要包括传感光纤和光解调仪，数据采集系统用于对光纤传感系统输出的光信号功率进行智能采集，采集的数据通过无线网络或专用网向数据通讯与传输系统进行传输，数据通讯与传输系统将采集的数据远程传送至数据分析及处理系统，数据分析及处理系统对接收到的数据进行分析和处理，得到监测信息并呈现监测结果，评估与报警系统负责对监测结果进行评估以掌握被监测的桥梁健康安全情况，若超过阈值则及时发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述监测信息包括被监测桥梁的温度、应力、裂缝、振动、钢筋锈蚀。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述数据分析及处理系统为PC应用平台。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述传感光纤为分布式传感光纤。

5.根据权利要求1或4任一项所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述传感光纤的布设方式有预埋或/和敷设；预埋时可以直接浇筑在桥梁构件的混凝土中，敷设时可以直接粘贴在结构表面。

6.根据权利要求1或4任一项所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述传感光纤通过S形、直线布设或/和网状布设实现对桥梁进行二维或三维的监测。

7.根据权利要求1所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述光纤传感系统为基于布里渊光时域分析技术的分布式光纤传感系统。

8.根据权利要求1-4及7任一项所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述监测系统在使用前，对光纤传感系统进行参数标定和设置，具体操作为：对桥梁施加不同等级的荷载，辅以其他测量手段，对光纤传感系统参数进行标定和设置，以取得最好的测试效果。

9.根据权利要求1或4任一项所述的基于布里渊分布式光纤传感技术的桥梁健康监测系统，其特征在于，所述传感光纤以二氧化硅为纤芯材料。