CN110514289A - 一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感器和桥梁监测领域的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，由窄带宽激光源、光纤振动传感器、传输光缆、光纤解调仪、监控主机组成。本发明为解决现有大跨径桥梁振动监测中存在的经济效应低、动力响应性能差，以及通过铺设光纤的振动监测方法不能满足振动振幅较大时的振动监测等问题，提供了一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法。主要是通过在主梁底部安装光纤振动传感器，并将光纤振动传感器用传输光缆与光纤解调仪相连，然后再将光缆与窄带宽激光源连接。采用干涉型光时域反射技术和傅里叶变化实时测量出桥梁的振动频率。主要适用于悬索桥、斜拉桥等大跨径桥梁。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器和桥梁监测领域，特别涉及一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法。
背景技术
桥梁作为跨越大型障碍物、河流、沟壑的建筑物，是现代地面交通中的重要组成部分。随着交通需求的增长和建设技术的提升，桥梁的长度不断增加，造型的不断创新。同时，通行车辆数量、载重和速度也有较大的变化，这些都使得桥梁动力响应增大。因此，为了评估安全运营能力、检验结构设计正确性、评估桥梁寿命，对桥梁振动情况进行实时的监控已成为桥梁运营监测领域的一项重要工作。
目前应用于桥梁振动监测的传感器有电式传感器、光纤传感器等。现有的压电式、电容式、电感式传感器都难以满足对桥梁结构的长期监测。光纤传感器由于具有测量精度高、稳定性好、抗电磁干扰能力强、能够实现远距离传输、便于复用成网等优点被应用于桥梁监测领域，但现有的光纤光栅传感器、基于布里渊光纤传感技术的传感器存在经济效应低、动力响应特性差等问题，难以实现桥梁的振动监测。
干涉型光时域反射技术是分布式光纤传感技术中的一种，其是通过将一束激光脉冲注入光纤，并对其后向瑞利散射光进行探测，从而解调出相位、强度的变化，实现对外界变化的监测。干涉型光时域反射技术除了具有分布式光纤传感的优点外，还具有测量速度快、灵敏度高、测量距离长、耐恶劣环境、免维护等特点可以实现桥梁的振动监测。同时，对于大跨径的桥梁的振动监测，通过在桥梁的主梁底部应用铺设光纤的方法监测时，当桥梁的振动幅度较大时会使光纤破坏，导致监测系统失效。所以，对于大跨径桥梁的振动监测还需要一种光纤振动传感器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有大跨径桥梁振动监测方法存在的不足，提供一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，实时、快速、准确、有效的监测大跨径桥梁的振动，确保桥梁的安全运行。
本发明采用的技术方案是：一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：监测步骤如下：
a、在桥梁主梁底部安装光纤振动传感器，然后将光纤振动传感器上连接传感光纤的两根光纤跳线连接到传输光缆上，再传输光缆与光纤解调仪相连。
b、采用干涉型光时域反射技术解调出由振动引起的光纤中后向瑞利散射强度变化量，并将其传回监控主机；由监控主机对散射光强度信息进行傅里叶变化，将散射光强度信息转化为时域信息，再由监控主机对时域信息进行分析后自动输出振动频率。
其中光纤振动传感器由由金属箱、光纤跳线、两个质量块、弹簧、两个滑轨、传感光纤、滚珠、隔板、金属基座组成。
对于光纤振动传感器的制作工艺如下：
a1、在裸光纤外包裹一层2mm厚的聚乙烯外包层构成传感光纤；
a2、在两个质量块以及金属箱的前金属板和右金属板上各打一个3mm的圆孔，并将隔板固定于金属箱中；
a3、将弹簧固定在金属箱底板上，然后在弹簧上固定质量块1；
a4、将第一根传感光纤穿过金属箱前金属板的圆孔后再穿过质量块1，然后将第二根传感光纤穿过质量块2再穿过金属箱右金属板的圆孔；
a5、在滑轨1、滑轨2上安装滚珠，将滑轨1的首尾两端分别固定于金属箱的前后金属板上，将滑轨2的首尾两端分别固定于隔板和金属箱的右金属板上；
a6、将质量块1、质量块2分别安装到滑轨1、滑轨2上，然后分别在两根传感光纤上溶接光纤跳线；
a7、在金属箱的顶板上安装有两个金属基座，且在每个金属基座上开两个螺栓孔；
对于光纤振动传感器的安装方法为：将光纤振动传感器用螺栓穿过金属基座上的螺栓孔将其固定于桥梁主梁上。
本发明的有益效果是：
1、在大跨径桥梁的振动监测中应用光纤振动传感器，能够避免大跨径桥梁振幅较大时，造成传感光纤的破坏，而使监测系统失效。同时，该光纤振动传感器能够有效测量桥梁竖向、横向两个方向的振动。
2、将光纤振动传感器安装到桥梁的主梁底部，采用干涉型光时域反射技术解调出由于振动引起的光纤中后向瑞利散射强度变化量，并应用傅里叶变化将散射光强度信号转化为时域信号，测量出桥梁的振动频率。从而实现对桥梁振动实时、快速、准确、有效的监测，确保桥梁的安全运行。
附图说明
图1监测系统结构示意图
图2光纤振动传感器立剖面结构示意图
图3光纤振动传感器俯剖面结构示意图
图4传感光纤结构图
图中，1.光纤振动传感器，2-1.质量块1,2-2.质量块2,3-1.滑轨1,3-2.滑轨2,4.传感光纤，5.弹簧，6.滚珠，7.隔板，8.基座，9.螺栓孔，10.金属箱，11.光纤跳线，12.窄带宽激光源，13.传输光缆，14.光纤解调仪，15.主控计算机，16.裸光纤，17.聚乙烯外包层，18.桥主梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
该大跨径桥梁振动监测系统结构包括光纤振动传感器1、窄带宽激光源12、传输光缆13、光纤解调仪14、监控主机15。监测方法为：在桥梁主梁18底部安装光纤振动传感器(1)，然后将光纤振动传感器1上连接传感光纤4的两根光纤跳线11连接到传输光缆13上，再传输光缆13与光纤解调仪14相连，采用干涉型光时域反射技术和傅里叶变化实时测量出桥梁的振动频率，如图1所示。
其振动监测原理如下：
当桥梁发生竖向或横向振动时，会带动振动传感器中质量块在滑轨上发生竖向或横向的摆动，从而给光纤施加相应竖向或横向扰动。当光纤受到干扰时，其折射率也会随着弹光效应的影响而发生变化，从而改变受干扰部位的光波相位。接着，由于受到干涉的影响，光波相位的变化也会对瑞利散射光的强度产生改变，通过分析接收的瑞利散射光强度的变化规律，将散射光强度信息在监控主机中利用傅里叶变化将其转化为时域信息，并由监控主机对时域信息进行分析后自动输出振动频率，从而实现对振动的监测。
如图2、3所示，光纤振动传感器的制作工艺如下：
a1、在两个质量块(2-1、2-2)以及金属箱10的前金属板和右金属板上各打一个3mm的圆孔，并将隔板7固定于金属箱10中；
a2、将弹簧5固定在金属箱10底板上，然后在弹簧5上固定质量块1(2-1)；
a3、将第一根传感光纤4穿过金属箱10前金属板的圆孔后再穿过质量块1(2-1)，然后将第二根传感光纤4穿过质量块2(2-2)再穿过金属箱10右金属板的圆孔；
a4、在滑轨1(3-1)、滑轨2(3-2)上安装滚珠6，将滑轨1(3-1)的首尾两端分别固定于金属箱10的前后金属板上，将滑轨2(3-2)的首尾两端分别固定于隔板7和金属箱10的右金属板上；
a5、将质量块1(2-1)、质量块2(2-2)分别安装到滑轨1(3-1)、滑轨2(3-2)上，然后分别在两根传感光纤4上溶接光纤跳线11；
a6、在金属箱10的顶板上安装有两个金属基座8，且在每个金属基座上开两个螺栓孔9。
如图4所示，传感光纤的制作工艺如下：在裸光纤16外包裹一层2mm厚的聚乙烯外包层17构成传感光纤4。
实施例：
1、对裸光纤进行加工：在裸光纤外包裹一层2mm厚的聚乙烯外包层构成传感光纤。
2、制作光纤振动传感器：
a1、在两个质量块以及金属箱的前金属板和右金属板上各打一个3mm的圆孔，并将隔板固定于金属箱中；
a2、将弹簧固定在金属箱底板上，然后在弹簧上固定质量块1；
a3、将第一根传感光纤穿过金属箱前金属板的圆孔后再穿过质量块1，然后将第二根传感光纤穿过质量块2再穿过金属箱右金属板的圆孔；
a4、在滑轨1、滑轨2上安装滚珠，将滑轨1的首尾两端分别固定于金属箱的前后金属板上，将滑轨2的首尾两端分别固定于隔板和金属箱的右金属板上；
a5、将质量块1、质量块2分别安装到滑轨1、滑轨2上，然后分别在两根传感光纤上溶接光纤跳线；
a6、在金属箱的顶板上安装有两个金属基座，且在每个金属基座上开两个螺栓孔。
3、在桥梁主梁底部安装光纤振动传感器，然后将光纤振动传感器上连接传感光纤的两根光纤跳线连接到传输光缆上，再传输光缆与光纤解调仪相连。
4、采用干涉型光时域反射技术由光纤解调仪解调出传感光纤中后向瑞利散射强度变化量，并将其传回监控主机，由监控主机对散射光强度信息进行傅里叶变化，将散射光强度信息转化为时域信息并对其分析后自动输出桥梁的振动频率。
Claims (7)
1.一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，主要包括窄带宽激光源(12)、光纤振动传感器(1)、传输光缆(13)、光纤解调仪(14)、监控主机(15)，其特征在于监测步骤如下：
a、在桥梁主梁(18)底部安装光纤振动传感器(1)，然后将光纤振动传感器(1)上连接传感光纤(4)的两根光纤跳线(11)连接到传输光缆(13)上，再传输光缆(13)与光纤解调仪(14)相连；
b、采用干涉型光时域反射技术解调出由振动引起的光纤中后向瑞利散射强度变化量，并将其传回监控主机(15)；由监控主机(15)对散射光强度信息进行傅里叶变化，将散射光强度信息转化为时域信息，再由监控主机(15)对时域信息进行分析后自动输出振动频率。
2.根据权利要求1所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：所述传输光缆(13)中包含两根光纤，分别连接光纤振动传感器上(1)的两根光纤跳线(11)。
3.根据权利要求1所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：所述监控主机(15)中所用的监控软件中包含两个通道分别监测桥梁的竖向和横向振动。
4.根据权利要求1所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：所述光纤振动传感器(1)是由金属箱(10)、光纤跳线(15)、两个质量块(2-1、2-2)、弹簧(5)、两个滑轨(3-1、3-2)、传感光纤(4)、滚珠(6)、隔板(7)、金属基座(8)组成。
5.根据权利要求4所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：光纤振动传感器的制作工艺为：
a1、在裸光纤(16)外包裹一层2mm厚的聚乙烯外包层(17)构成传感光纤；
a2、在两个质量块(2-1、2-2)以及金属箱(10)的前金属板和右金属板上各打一个3mm的圆孔，并将隔板(7)固定于金属箱(10)中；
a3、将弹簧(5)固定在金属箱(10)底板上，然后在弹簧(5)上固定质量块1(2-1)；
a4、将第一根传感光纤(4)穿过金属箱(10)前金属板的圆孔后再穿过质量块1(2-1)，然后将第二根传感光纤(4)穿过质量块2(2-2)再穿过金属箱(10)右金属板的圆孔；
a5、在滑轨1(3-1)、滑轨2(3-2)上安装滚珠(6)，将滑轨1(3-1)的首尾两端分别固定于金属箱(10)的前后金属板上，将滑轨2(3-2)的首尾两端分别固定于隔板(7)和金属箱(10)的右金属板上；
a6、将质量块1(2-1)、质量块2(2-2)分别安装到滑轨1(3-1)、滑轨2(3-2)上，然后分别在两根传感光纤(4)上溶接光纤跳线(11)；
a7、在金属箱(10)的顶板上安装两个金属基座(8)。
6.根据权利要求4所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：所述金属基座(8)上有两个螺栓孔(9)。
7.根据权利要求1所述的一种光纤振动传感器及大跨径桥梁振动监测方法，其特征在于：光纤振动传感器安装时用螺栓穿过金属基座(8)上的螺栓孔(9)将其固定于桥梁主梁(18)上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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