CN107067607B - 基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法 - Google Patents

基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法，其中系统包括围栏钢丝绳，固定在围墙的若干支柱上；光纤光栅应变传感器，与围栏钢丝绳连接，并固定在支柱上；属于同一通道的光纤光栅应变传感器串接在一根光缆上；所述光纤光栅应变传感器包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片；光纤光栅信号解调仪，与光缆连接，将光纤光栅应变传感器的信号发送到报警管理计算机；报警管理计算机，对接收的信号进行处理和分析，根据分析结果进行报警。

Description

基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法
技术领域
本发明涉及光纤周界安防技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法。
背景技术
光纤光栅传感技术是近年发展起来的先进传感技术，与传统的电类传感技术相比，具有现场无源防爆、耐候防雷、布设灵活、使用寿命长、灵敏度高等优势，可对多种物理参量进行实时监测，包括：应变、温度、加速度等等，因此，非常适合应用于周界安防领域。
现有的光纤光栅周界入侵报警系统主要是通过分析作用于光纤布拉格光栅振动传感器上的振动波来判断是否报警，所以安装介质的振动波传递特性，以及振动传感器的安装环境对系统的报警性能有着直接的影响，诸如围墙共振、树枝拍打等因素都有可能导致振动监测报警系统频繁误报。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中周界安防系统容易导致振动监测报警系统频繁误报的缺陷，提供一种可避免误报的基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统及信号处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统，包括：
围栏钢丝绳，固定在围墙的若干支柱上；
光纤光栅应变传感器，与围栏钢丝绳连接，并固定在支柱上；属于同一通道的光纤光栅应变传感器串接在一根光缆上；所述光纤光栅应变传感器包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片，该等强度应变片上固定有光纤光栅；围栏钢丝绳部分绕设在主轴上；旋转空间凸轮套设在主轴上，并连接一旋转回复机构；该旋转空间凸轮的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，带动主轴旋转，旋转空间凸轮也随主轴转动；差动弹簧机构通过一安装支架设置在该旋转空间凸轮的上方，该差动弹簧机构包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片接触，滚轮与该旋转空间凸轮的上表面接触；
光纤光栅信号解调仪，与光缆连接，将光纤光栅应变传感器的信号发送到报警管理计算机；
报警管理计算机，对接收的信号进行处理和分析，根据分析结果进行报警。
接上述技术方案，该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限区域和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限区域、松弛报警区域和张拉失效区域。
接上述技术方案，所述旋转回复机构为扭簧，围栏钢丝绳起初处于预张紧状态时，扭簧也处于预紧状态。
本发明还提供了一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统的信号处理方法，该方法基于上述周界安防系统，具体包括步骤：
标定并设置光纤光栅应变传感器“静态”、“松弛”、“失效”、“入侵”状态下的波长变化阈值，并设置系统采样率fs，基准值更新周期Tb；
系统开始运行后，对每个探测点，即每一个光纤光栅应变传感器所在位置，先读取各自第一次采样值作为基准值，若无异常事件发生，按照基准值更新周期Tb更新基准值；若某探测点判断有异常事件发生，则这个点不更新基准值；
计算每个探测点当前时刻波长数值与基准值的差值，并已设置的波长变化进行比较，判断是否发生异常。
接上述实施例，波长变化阈值具体设置为：
接上述实施例，根据当前时刻波长数值与基准值的差值的数值范围，确定当前的受力状态，输出对应事件信息。
本发明产生的有益效果是：本发明采用具有特定结构的光纤光栅应变传感器，结合相应的信号分析算法，对监测区域围栏的受力状态进行监测，能够直接避免振动因素对监测系统带来的干扰。光纤光栅应变传感器中可使用普通布拉格光栅或者弱反射布拉格光栅，组成复用系统，实现长距离实时的应变监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统的结构示意图；
图2是本发明实施例光纤光栅应变传感器的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明实施例旋转空间凸轮的示意图；
图5是本发明实施例旋转空间凸轮轮廓轨迹曲线图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统包括多个光纤光栅应变传感器10，围栏钢丝绳30、光纤光栅信号解调仪40和报警管理计算机50。
围栏钢丝绳30固定在围墙的若干支柱20上，可以通过设置在支柱20上的钢丝绳固定点20进行固定。
光纤光栅应变传感器10与围栏钢丝绳30连接，并固定在支柱20上；属于同一通道的光纤光栅应变传感器10串接在一根光缆40上。
光纤光栅信号解调仪40，与光缆连接，将光纤光栅应变传感器的信号发送到报警管理计算机；
报警管理计算机50，对接收的信号进行处理和分析，根据分析结果进行报警。
本发明所采用的传感器是特定结构的传感器，如图2所示，该光纤光栅应变传感器10包括主轴11，旋转空间凸轮12，差动弹簧机构13，旋转回复机构14，安装支架15，等强度应变片16，光纤光栅17和围栏钢丝绳18，整体呈中心旋转结构。旋转回复机构14的作用主要是给旋转空间凸轮12一个回复力，使其回到初始位置，旋转回复机构4可选用扭簧。
围栏钢丝绳18部分绕设在主轴上。旋转空间凸轮12套设在主轴11上，并连接一旋转回复机构14；该旋转空间凸轮12的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳18的状态变化时，带动主轴11旋转，旋转空间凸轮12也随主轴11转动。各个凹凸区间对应围栏钢丝绳不同的状态变化区间。本发明的一个实施例中，该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限、松弛报警区域和张拉失效区域。
差动弹簧机构13通过安装支架15设置在该旋转空间凸轮12的上方，该差动弹簧机构13包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片16接触，滚轮与该旋转空间凸轮12的上表面接触。安装支架15为轻质支架，如可选用轻质的铝合金。
该差动弹簧机构13还包括壳体和弹簧，弹簧竖直放置于该壳体中，且该壳体与安装支架15固定连接。
如图2所示，本发明的一个实施例中，安装支架15为滑动安装支架，套设在主轴11上，沿主轴11可上下自由移动。差动弹簧机构13还包括弹簧，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端也为自由端，连接顶杆；其中顶杆设置在该差动弹簧机构13的顶部，滚轮设置在该差动弹簧机构13的底部。该实施例中，通过弹簧将力传递给顶杆，再通过顶杆将力传递给等强度应变片16。
本发明的另一实施例中，安装支架15为固定安装支架，并与等强度应变片16固定连接。弹簧套设在顶杆上，弹簧一端为自由端，连接轮轴，轮轴上套设滚轮；弹簧的另一端为固定端，与固定安装支架连接。与上一个实施例的区别在于弹簧只有一端为自由端，顶杆为刚性顶杆，通过刚性顶杆将力传递给等强度应变片16。
围栏钢丝绳30起初处于预张紧状态，即旋转回复机构14也处于预紧状态，当围栏钢丝绳30状态变化时(受拉、松弛、断裂)，旋转空间凸轮12也随之正反转动，带动差动弹簧机构13底部的滚轮上下运动，使得差动弹簧机构13顶端传递给等强度应变片16的作用力随之改变，等强度应变片16上产生的应变也随之变化，最终光纤光栅17因应变片表面应变的变化而产生波长的漂移，光纤光栅波长解调仪就可以通过波长的变化而监测张力围栏钢丝绳30的状态变化，从而判定张力围栏所处状态，系统完成安防监测。
针对旋转空间凸轮12作一个说明，如图2、3所示，旋转空间凸轮12的上表面的轮廓线上设有不同位置节点，其空间角度、相对高度、空间坡度均不一样，用来区分围栏钢丝绳不同的状态变化(受拉、松弛、断裂)，其原理是：当钢丝绳处于初始预警状态时，温度及正常外力等因素会导致钢丝绳产生正常范围的张拉跳动，凸轮轮廓设计时，需屏蔽张拉跳动的影响；当钢丝绳受到入侵外力作用时，产生大的张拉位移，凸轮轮廓上在张拉方向须设有报警凸台节点；当钢丝绳因固件松弛到一定程度，影响预报警功能时，凸轮轮廓上在松弛方向须设有张拉松弛报警凸台节点；当钢丝绳受外力瞬间切断时，钢丝绳张拉失效，凸轮轮廓上在无张拉方向须设有张拉失效报警凸台节点，且凸轮需迅速到达此节点；为了有效区分以上不同状态，凸轮轮廓上的节点位置须有不同的节点高度、坡度。
凸轮轮廓曲线如图5所示，其中O为围栏安装时的预张初始点，A为正常张紧上限，B为入侵报警截止点，A′为正常张紧下限，B′为松弛报警零界点，C′为张拉失效截止点，差动弹簧机构13底部的接触轮轴经过上述不同节点位置时，都会产生不同的差动感应，光纤光栅17产生不同的变化，使监测系统的仪表能准确无误的监测到围栏钢丝绳的状态变化，从而作出正确的报警状态输出。凸轮轮廓曲线上的各个节点的区域范围，矢量关系，须根据不同的应用场合，灵活设计。
本发明实施例基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统的信号处理方法，包括以下步骤：
S1、标定并设置光纤光栅应变式传感器“静态”、“松弛”、“失效”、“入侵”等状态的波长变化阈值。设置系统采样率fs，基准值更新周期Tb；采样率建议值：1s；基准值更新周期Tb建议值：60s。
波长变化典型阈值可设置如下：
受力状态 波长变化范围/pm
静态 0～5
松弛 6～20
失效 51～80
入侵 21～50
S2、系统开始运行后，对于每个探测点(每一个光栅或弱光栅所构成的传感器所在位置)，先读取各自第一次采样值作为基准值，若无异常事件发生，按照Tb更新基准值，即读取当前解调的波长值作为基准值。若某探测点判断有异常事件发生，则这个点不更新基准值。
S3、对于每个探测点，计算当前时刻波长数值与基准值的差值。与已设置的波长阈值进行比较，判断是否发生异常，并根据当前时刻波长数值与基准值的差值的数值范围，确定当前的受力状态，输出对应事件信息。
本发明不直接测量围栏钢丝绳所受拉力，基于特定的传感器结构，将光栅不同的受力状态映射到各自的中心波长变化空间，实现围栏受力应变测量，简单有效，能够有效避免干扰。此外由于环境温度的变化都是缓慢的，按照设定时间更新基准值，能够有效避免温度变化对系统的干扰。
应当理解的是，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，而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 (5)

1.一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统，其特征在于，包括：
围栏钢丝绳，固定在围墙的若干支柱上；
光纤光栅应变传感器，与围栏钢丝绳连接，并固定在支柱上；属于同一通道的光纤光栅应变传感器串接在一根光缆上；所述光纤光栅应变传感器包括主轴、旋转空间凸轮、差动弹簧机构和等强度应变片，该等强度应变片上固定有光纤光栅；围栏钢丝绳部分绕设在主轴上；旋转空间凸轮套设在主轴上，并连接一旋转回复机构；该旋转空间凸轮的上表面设有多个凹凸区间；当围栏钢丝绳的状态变化时，带动主轴旋转，旋转空间凸轮也随主轴转动；差动弹簧机构通过一安装支架设置在该旋转空间凸轮的上方，该差动弹簧机构包括顶杆和滚轮，顶杆与等强度应变片接触，滚轮与该旋转空间凸轮的上表面接触；
光纤光栅信号解调仪，与光缆连接，将光纤光栅应变传感器的信号发送到报警管理计算机；
报警管理计算机，对接收的信号进行处理和分析，根据分析结果进行报警；
该多个凹凸区间具体包括预张初始区域，该预张初始区域的一侧设有张紧上限区域和入侵报警区域，该预张初始区域的另一侧设有张紧下限区域、松弛报警区域和张拉失效区域。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统，其特征在于，所述旋转回复机构为扭簧，围栏钢丝绳起初处于预张紧状态时，扭簧也处于预紧状态。
3.一种基于光纤光栅应变传感器的周界安防系统的信号处理方法，该其特征在于，该方法基于权利要求1-2中任一项所述的周界安防系统包括步骤：
标定并设置光纤光栅应变传感器“静态”、“松弛”、“失效”、“入侵”状态下的波长变化阈值，并设置系统采样率fs，基准值更新周期Tb；
系统开始运行后，对每个探测点，即每一个光纤光栅应变传感器所在位置，先读取各自第一次采样值作为基准值，若无异常事件发生，按照基准值更新周期Tb更新基准值；若某探测点判断有异常事件发生，则这个点不更新基准值；
计算每个探测点当前时刻波长数值与基准值的差值，并已设置的波长变化进行比较，判断是否发生异常。
4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，波长变化阈值具体设置为：
受力状态为静态时，波长变化范围为0~5 pm；受力状态为松弛时，波长变化范围为6~20pm；受力状态为入侵时，波长变化范围为21~50 pm；受力状态为失效时，波长变化范围为51~80 pm。
5.根据权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，根据当前时刻波长数值与基准值的差值的数值范围，确定当前的受力状态，输出对应事件信息。
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