CN108613763A - 基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器及传感方法，光纤光栅式拉索索力监测传感器采用光纤光栅式加速度传感器，所述光纤光栅式加速度传感器由光纤内刻光栅、光纤信号引出口、悬臂装置和质量块组成，光纤内刻光栅通过悬臂装置水平固定，并两端延伸形成光纤引出线，通过两端对称设置的光纤信号引出口引出，悬臂装置的一端通过限位螺钉固定有质量块；光纤光栅式拉索索力监测传感器通过专用底座及限位螺钉安装在拉索表面，以捕捉拉索振动信号，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统。本发明安装方便，能适应于复杂环境和远距离信号传输，数据稳定性很好。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程结构中柔性拉索受力监测技术领域，具体来说是一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器。
背景技术
拉索是结构中的受拉构件，是大跨空间结构、悬索结构、斜拉结构的重要组成部分。拉索常常用高强钢丝捻制而成，可分为钢绞线、钢丝束和钢丝绳，两端采用专用锚头固定。
结构拉索长期运营后，需对索力状态进行监测，一是判断所监测到的拉索索力是否处于安全工作状态，预警因超载、拉索锈蚀、锚头锈蚀等病害导致的拉索失效，以便及时采取处治措施，保证安全；二是根据所监测到的拉索索力数据，进行综合分析，修正拉索结构设计参数和检验施工预设计，确保拉索结构设计和施工的合理性和经济性。
针对结构拉索的索力监测，传统方法是在拉索施工期间，在锚具位置一体化安装受压应力式索力传感器，一旦拉索结构张拉施工完毕后，在桥梁运营期无法加装或更换，特别是施工阶段未考虑安装的拉索结构，后续也无法再拆除锚具、加装应力式索力传感器。但本次发明的光纤光栅式索力传感器测试方法是基于弦振动理论的频率法测试拉索索力，可在后续运营期间，无需大修、拆卸等工序即对拉索结构不产生任何损伤的前提下，采用专用底座粘贴安装于拉索索体表面即可进行监测索力。
发明内容
本发明的目的是针对目前市场上还没有在结构运营期加装以用于长期实时监测的解决方案，而设计一种可以良好的进行拉索索力监测的光纤光栅式传感器及方法，其专门配备的应用软件可实现多通道多个传感的数据分析，即可针对结构多个拉索同时布置一套完善的索力在线监测系统。
一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器，其特征在于，光纤光栅式拉索索力监测传感器采用光纤光栅式加速度传感器，所述光纤光栅式加速度传感器由光纤内刻光栅1、光纤信号引出口2、悬臂装置3和质量块4组成，光纤内刻光栅1通过悬臂装置3水平固定，并两端延伸形成光纤引出线，通过两端对称设置的光纤信号引出口2引出，悬臂装置3的一端通过限位螺钉5固定有质量块4；光纤光栅式拉索索力监测传感器通过专用底座及限位螺钉安装在拉索表面，以捕捉拉索振动信号，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统。
光纤光栅式拉索索力监测传感器安装于拉索索体长度方向的中点位置，专用底座为L形，光纤光栅式拉索索力监测传感器通过4 个M3 螺钉固定到安装底座上，安装底座下侧有2个7mm 直径的安装孔，可用于将传感器整体锁定，之后底座长边位置采用固体胶直接粘贴于拉索索体表面。
光纤引出线可随意接长，便于采用高频光纤光栅式解调仪远程读取传感器数据，利用尾纤将传感器的信号引出，多个传感器视不同波长范围可采用光纤进行串联，串联数量不宜多于6个，再利用普通光纤进行接长、引线至监测设备。
一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于， 光纤光栅式索力传感器通过专用底座安装在拉索表面以捕捉拉索振动信号，监测分析拉索的振动特性及受力大小，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统，包括以下步骤：
（1）索力计的安装：光纤光栅式索力传感器通过4 个M3 螺钉固定到底座上，传感器整体被锁定后通过底座长边位置粘贴安装在被测拉索索体长度方向的中心点位置；
（2）索力计的线路布置：光纤引出线可随意接长，便于采用高频光纤光栅式解调仪远程读取传感器数据，且通过专项开发的以傅里叶变换为基础原理开发的应用程序可自动分析获得被测拉索的振动频率，即可代入公式计算拉索索力，从而在结构拉索运营期间布置实施监测拉索索力，并在专门配备的可视化应用软件上显示；利用尾纤将传感器的信号引出，多个传感器视不同波长范围可采用光纤进行串联，串联数量不宜多于6个，再利用普通光纤进行接长、引线至监测设备；
（3）索力计数据监测：在监控室中，利用多通道光纤光栅解调仪可同时对多个索力计光栅变化信号进行解调分析，基于傅里叶变换原理开发的程序可通过时域信号自动分析拉索振动特性，并专门配备了可视化应用软件，形成一套系统从而监测拉索的受力状况。
测试方法是基于频率法，拉索可以看做是一根弦振动，根据其两端受力同固有频率的关系换算得到索力的一种间接测量方法，适用于旧桥在运营期加装增设以监测拉索索力。
为了确保索力计良好的工作性能，在实验室里对所设计的索力传感器进行了测试标定，由于索力计主要测试振动信号，实验室标定时将索力计安装在振动台上，振动台采用标准信号源对索力计进行激励，然后与索力计实测结果进行比对分析，比对结果表明，索力计有效频域区段内线性和重复性能均很好，说明该设计可以满足实际使用要求。
光纤光栅式索力传感器内部原理为端头设一质量块的悬臂装置，悬臂梁的顶面粘贴测试光栅，当质量块往下振动时，光栅被拉长，测得光波信号波长变大，当质量块往上振动时，光栅被压缩，测得光波信号波长变小，当质量块往复运动，则可测得波长变化时程曲线，经傅里叶变换分析，即可获得频域结果。粘贴安装在拉索索体表面的索力传感器即可通过上述原理测试拉索的自振特性。
索力传感器工作温度宜为-30℃～80℃，光栅中心波长为1510nm~1590nm，频率响应范围为1Hz~40Hz，索力精度可达到0.1KN。
在安装完毕前限位螺钉必须处于锁紧状态，即将传感器内部质量块锁定使悬臂梁不会随意变形，而要令加速度计工作，必须将限位螺钉拧松（逆时针旋转）2~3 圈，加速度计存在测试方向，正立时测试重力加速度方向，平躺时测试水平方向，本规格产品的测试方向与出纤方向垂直。
本发明与行业内其他原理测试传感技术相比，有以下优点：内置传感器体积小、防水、耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强，工装后外形体积较小，安装方便，能适应于复杂环境和远距离信号传输，数据稳定性很好，基于频率法即可在结构运营期增设布置，配同研发的应用软件，布设形成一套多通道索力监测系统。
附图说明
图1是本发明的结构正面图；
图2是本发明的结构侧面图；
图3是本发明的底座细部图；
图4为本发明的频率标定结果；
指定图1作为本发明的摘要附图。
图中标记说明：
1光纤内刻光栅，2光纤信号引出口，3悬臂装置，4质量块，5限位螺钉，6 L形底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，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。
实施例1
本发明的基本技术思路是将光纤光栅式索力传感器通过专用底座安装在拉索表面以捕捉拉索振动信号，监测分析拉索的振动特性及受力大小，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统。
（1）索力计的安装：光纤光栅式索力传感器安装于拉索索体长度方向的中点位置，专用底座为L形，首先索力传感器通过4 个M3 螺钉固定到安装底座上，安装底座下侧有2个7mm 直径的安装孔，可用于将传感器整体锁定，之后底座长边位置采用固体胶直接粘贴于拉索索体表面。加速度计超量程容易导致损坏，所以在安装完毕前限位螺钉必须处于锁紧状态，即将传感器内部质量块锁定使悬臂梁不会随意变形，而要令加速度计工作，必须将限位螺钉拧松（逆时针旋转）2~3 圈。加速度计存在测试方向，正立时测试重力加速度方向，平躺时测试水平方向。本规格产品的测试方向与出纤方向垂直。
（2）索力计的线路布置：利用尾纤将传感器的信号引出，多个传感器视不同波长范围可采用光纤进行串联，串联数量不宜多于6个，再利用普通光纤进行接长、引线至监测设备。
（3）索力计数据监测：在监控室中，利用多通道光纤光栅解调仪可同时对多个索力计光栅变化信号进行解调分析，基于傅里叶变换原理开发的程序可通过时域信号自动分析拉索振动特性，并专门配备了可视化应用软件，形成一套系统从而监测拉索的受力状况。
为了确保索力计良好的工作性能，在实验室里对所设计的索力传感器进行了测试标定。由于索力计主要测试振动信号，实验室标定时将索力计安装在振动台上，振动台采用标准信号源对索力计进行激励，然后与索力计实测结果进行比对分析。比对结果表明，索力计有效频域区段内线性和重复性能均很好，说明该设计可以满足实际使用要求。
本发明已在某结构拉索索力监测工程中运用，工程中共安装了20个此种索力计，现场安装简便，传感器数据实现长期远程监控，真实地反映了结构运营状态拉索索力变化情况，数据精度高，稳定性好，能够满足工程需求。
Claims (9)
1.一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器，其特征在于，光纤光栅式拉索索力监测传感器采用光纤光栅式加速度传感器，所述光纤光栅式加速度传感器由光纤内刻光栅（1）、光纤信号引出口（2）、悬臂装置（3）和质量块（4）组成，光纤内刻光栅（1）通过悬臂装置（3）水平固定，并两端延伸形成光纤引出线，通过两端对称设置的光纤信号引出口（2）引出，悬臂装置（3）的一端通过限位螺钉（5）固定有质量块（4）；光纤光栅式拉索索力监测传感器通过专用底座及限位螺钉安装在拉索表面，以捕捉拉索振动信号，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统。
2.如权利要求1所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器，其特征在于，光纤光栅式拉索索力监测传感器安装于拉索索体长度方向的中点位置，专用底座为L形，光纤光栅式拉索索力监测传感器通过4 个M3 螺钉固定到安装底座上，安装底座下侧有2个7mm 直径的安装孔，可用于将传感器整体锁定，之后底座长边位置采用固体胶直接粘贴于拉索索体表面。
3.如权利要求1所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器，其特征在于，光纤引出线可随意接长，便于采用高频光纤光栅式解调仪远程读取传感器数据，利用尾纤将传感器的信号引出，多个传感器视不同波长范围可采用光纤进行串联，串联数量不宜多于6个，再利用普通光纤进行接长、引线至监测设备。
4.一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于， 光纤光栅式索力传感器通过专用底座安装在拉索表面以捕捉拉索振动信号，监测分析拉索的振动特性及受力大小，并配备专用可视化应用软件，形成一套长期在线监测系统，包括以下步骤：
（1）索力计的安装：光纤光栅式索力传感器通过4 个M3 螺钉固定到底座上，传感器整体被锁定后通过底座长边位置粘贴安装在被测拉索索体长度方向的中心点位置；
（2）索力计的线路布置：光纤引出线可随意接长，便于采用高频光纤光栅式解调仪远程读取传感器数据，且通过专项开发的以傅里叶变换为基础原理开发的应用程序可自动分析获得被测拉索的振动频率，即可代入公式计算拉索索力，从而在结构拉索运营期间布置实施监测拉索索力，并在专门配备的可视化应用软件上显示；利用尾纤将传感器的信号引出，多个传感器视不同波长范围可采用光纤进行串联，串联数量不宜多于6个，再利用普通光纤进行接长、引线至监测设备；
（3）索力计数据监测：在监控室中，利用多通道光纤光栅解调仪可同时对多个索力计光栅变化信号进行解调分析，基于傅里叶变换原理开发的程序可通过时域信号自动分析拉索振动特性，并专门配备了可视化应用软件，形成一套系统从而监测拉索的受力状况。
5.如权利要求4所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于，测试方法是基于频率法，拉索可以看做是一根弦振动，根据其两端受力同固有频率的关系换算得到索力的一种间接测量方法，适用于旧桥在运营期加装增设以监测拉索索力。
6.如权利要求4所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于，为了确保索力计良好的工作性能，在实验室里对所设计的索力传感器进行了测试标定，由于索力计主要测试振动信号，实验室标定时将索力计安装在振动台上，振动台采用标准信号源对索力计进行激励，然后与索力计实测结果进行比对分析，比对结果表明，索力计有效频域区段内线性和重复性能均很好，说明该设计可以满足实际使用要求。
7.如权利要求4所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于，光纤光栅式索力传感器内部原理为端头设一质量块的悬臂装置，悬臂梁的顶面粘贴测试光栅，当质量块往下振动时，光栅被拉长，测得光波信号波长变大，当质量块往上振动时，光栅被压缩，测得光波信号波长变小，当质量块往复运动，则可测得波长变化时程曲线，经傅里叶变换分析，即可获得频域结果，粘贴安装在拉索索体表面的索力传感器即可通过上述原理测试拉索的自振特性。
8.如权利要求4所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于，索力传感器工作温度宜为-30℃～80℃，光栅中心波长为1510nm~1590nm，频率响应范围为1Hz~40Hz，索力精度可达到0.1KN。
9.如权利要求4所述的一种基于频率法的光纤光栅式拉索索力监测传感器的传感方法，其特征在于，在安装完毕前限位螺钉必须处于锁紧状态，即将传感器内部质量块锁定使悬臂梁不会随意变形，而要令加速度计工作，必须将限位螺钉拧松（逆时针旋转）2~3 圈，加速度计存在测试方向，正立时测试重力加速度方向，平躺时测试水平方向，本规格产品的测试方向与出纤方向垂直。
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