CN110657753B - 一种用于线性工程变形场监测的感测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于线性工程变形场监测的感测系统及方法，所述系统沿线性工程轴线布设，包括：柔性液体导管，以及一组或多组沿导管轴向设于导管表面的光纤传感器阵列；所述柔性液体导管中填充液体。本发明的所述感测系统以液体导管为主体，沿导管轴向布设光纤传感器阵列，并基于获取的曲率数据进行三维重建，基于柔性导管的变形预测线性工程的变形，能够直观且全方位地监测到线性工程的健康情况。

Description

一种用于线性工程变形场监测的感测系统和方法

技术领域

本发明属于工程结构健康监测领域，涉及到的是一种用于线性工程变形场监测的感测系统和方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

铁路工程，公路工程，管道以及边坡工程等线性工程的建设位置往往存在地质复杂的特点，使得施工或运营期容易发生事故，造成严重的人员伤亡和经济损失，因而线性工程的安全性备受关注。

其中，不均匀沉降是线性工程比较突出的问题，工程在内因的驱动下逐渐发生纵向沉降、水平位移，当这种变形积累到一定程度时，在降雨、人工开挖等外因的诱发下，会出现整体崩塌。目前检测工程变形主要通过人工巡检法，安装静力水准仪，全站仪，三维激光扫描仪等仪器，需要人工进行多次测量，工作量大，不易实现长距离和自动化监测。

郭永兴在论文《Developmentandoperationofafiber Bragggratingbasedonlinemonitoringstrategyforslope deformation》中提出了一种“梁单元”的方法，利用嵌在钢筋中的光纤光栅传感器进行边坡变形监测，此方法只能监测边坡的水平位移，无法获取纵向沉降信息，且没有自修正功能。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于线性工程变形场监测的感测系统和方法，所述感测系统以液体导管为主体，沿导管轴向布设光纤传感器阵列，并基于获取的曲率数据进行三维重建，基于柔性导管的变形预测线性工程的变形，能够直观且全方位地监测到线性工程的健康情况。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种用于线性工程变形场监测的感测系统，沿线性工程轴线布设，包括：柔性液体导管，以及一组或多组沿导管轴向设于导管表面的光纤传感器阵列；所述柔性液体导管中填充液体。

一个或多个实施例还提供了一种基于所述感测系统的线性工程变形场感测方法，包括以下步骤：

接收各组光纤传感器阵列采集的曲率数据，将获得曲率数据的位置记为控制点；基于各控制点的曲率，进行空间曲线三维重建，用以衡量感测系统在三维空间上的形状，从而得到线性工程变形场。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明的感测系统将传感器阵列布设于柔性液体导管上，测算柔性液体导管的变形场来近似线性工程的变形场，能够重构出长距离的线性工程的变形场，全方位的获取线性工程的变形情况，直观的把握线性工程的健康信息，相较于现有感测方法，监测的准确度更高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中用于隧道线性工程变形场监测的感测系统整体结构图；

图2为本发明一个或多个实施例中感测系统局部放大图；

图3为本发明一个或多个实施例中传感器阵列沿柔性液体导管周向的布设示意图；

图4为本发明一个或多个实施例中各传感器阵列采用切比雪夫布设的示意图；

图5为本发明一个或多个实施例中运动坐标系原理图；

图6为本发明一个或多个实施例中空间曲线重建的流程图；

图7为感测系统实际位移和曲率修正前后重建结果的对比图。

图中，1——光纤传感器阵列；2——柔性液体导管；3——填充液体；4——补液箱；5——流体驱动装置；6——光纤采集系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种用于线性工程变形场监测的感测系统，所述感测系统沿线性工程轴线布设。如图1所示，所述感测系统包括：柔性液体导管2，以及一组或多组沿导管轴向设于导管表面的光纤传感器阵列1，所述柔性液体导管2中填充液体3。其中，光纤传感器、液体导管、填充液体的局部放大图如图2所示。

当导管外表面布设多组光纤传感器阵列时，所述多组光纤传感器阵列沿导管的周向均匀设置。本实施例中，在柔性液体导管表面沿其轴向布设四条平行且两两正交的光纤传感器阵列，如图3所示。

每组光纤传感器阵列中各光纤传感器之间布设间隔与区域的测量精度需求有关，当精度需求较高时，缩小光纤传感器之间的间距。例如，大范围内沿导管轴向在导管表面等间距设置，需要高精度测量的区域采用切比雪夫布设，传感器布设图如图4所示。

并且，每组光纤传感器阵列中的光纤传感器数目相同，且布设位置一一对应。当设置四条平行且两两正交的光纤传感器阵列时，同一位置的四个光纤传感器能够提供该位置的正交曲率。

其中，柔性液体导管选用具有线弹性的PVC(聚氯乙烯)材质，当然，也可以选用其他有线弹性的材料，例如BS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)或POM(聚甲醛)材料等；光纤传感器阵列可为光纤光栅传感器或分布式光纤传感器，本实施例采用PMMA聚合物涂覆大应变传感器；填充液体，可以为水、硅油、或乙二醇液体，以保证在不同温度环境下系统的适用性。

所述感测系统还与补液系统连接。所述补液系统包括补液箱4和流体驱动装置5，所述流体驱动装置5用于连接补液箱4和柔性液体导管2，启动时可将补液箱4内的液体填充到柔性液体导管2内。在线性工程范围较大时，可设置多个补液站，定期定点从不同区域向所述感测系统进行补液。

其中，所述流体驱动装置5，对小直径导管采用超声波震荡器，基于声流技术驱动导管内液体平稳流动；对大直径导管采用液体泵。

本实施例采用液体导管的变形场来反映其所在线性工程的变形场，所述感测系统还包括光纤采集系统6，与光纤传感器阵列1连接，采集各传感器所在位置的曲率数据，被配置为：

步骤1：接收曲率数据，本实施例以设置四条平行且两两正交的光纤传感器阵列为例，接收一组正交曲率；

步骤2：根据曲率和位移的关系，进行三维空间曲线初次重建；具体包括：

步骤2.1：本实施例中，以各组光纤传感器阵列中光纤传感器所在位置记为空间曲线上的控制点，获取各点的正交曲率，在每个控制点处建立运动坐标系。

由于曲率测量平面相对于固定坐标系位置是随曲线弯曲而不断变化的，因此引进运动坐标系的概念，在弯曲变化的曲线上建立随曲线变化的运动坐标系。运动坐标系是针对固定坐标系而言的。固定坐标是相当于整个导管的绝对坐标系，而运动坐标系是每一段单独的一个坐标系，运动坐标系与固定坐标系存在空间角度的偏差，它与前一段导管的弯曲角度有关。

如图5所示，在空间曲线O₁O₂O₃上，O₁点是空间曲线端点，将其作为坐标系原点，并以曲线上该点的切线方向为Z轴，O₁点相互正交的曲率方向为X、Y轴，建立运动坐标系M₁：x₁O₁y₁；同理，在O₂点建立运动坐标系M₂：x₂O₂y₂。

步骤2.2：以第一个控制点所在运动坐标系作为固定坐标系，依次计算当前运动坐标系到下一个运动坐标系的变换矩阵，基于各控制点的正交曲率以及变换矩阵，将所有控制点的坐标均转换到固定坐标系。

设第i个点是0i点在运动坐标系下的坐标为(d_ai，d_bi，d_ci)，在固定坐标系下的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，两者之间的关系是(d_ai，d_bi，d_ci)＝[T_i](X_i，Y_i，Z_i)，[T_i]是变换矩阵。因此，已知运动坐标系下的坐标，利用(X_i，Y_i，Z_i)＝[T_i]-1(d_ai，d_bi，d_ci)可以得到在固定坐标系下的坐标，实现三维空间曲线的初次重建。

将第一个控制点所在的运动坐标系记为固定坐标系，即当i＝0时，[T₀]为一单位矩阵。计算每相邻两个运动坐标系之间的变换矩阵，逐个控制点进行坐标转换。

由于初步的曲线重构是一个递推的过程，某点总是由它前一点的位置计算而得，从而存在累计误差。为解决累计误差，本实施例将整个空间曲线根据形态进行分段，对不同分段中的曲率数据进行加权。

本实施例利用机器学习算法对初次重建的曲线的不同弯曲形状区域进行智能分类；具体地，基于各控制点的正交曲率，计算相邻两控制点之间的应变增量，基于曲率、该控制点位置和应变增量，进行聚类分析，将传感系统划分为不同形态类别的分段。

分段的目的是为了提高位移测量精度，初次重建出来的空间曲线坐标会存在误差，而且这个误差会从第一个点开始逐渐累积到最后一个点，导管距离越长，累积到后边的误差越大，这个误差叫做累计误差。

解决这个累积误差有两个手段，一种是增加传感器的布点密度，但是传感器不可能无限制加密，因此这种手段无法适用于实际工程；第二种手段就是加权修正，通过试验我们发现导管的变形形状不同，所采用的修正权值是不同的。因此分段的目的就是为了找出不同的变形形状。进而根据不同的形状确定修正系数，解决累积误差问题，提高位移测量精度。

本实施例将变形分为3类：位移不变段(位移是平的)、位移递增段(上翘段)、位移递减段(下挠段)。其具体方法为：测点采集到的是正交的应变，应变转换成曲率。我们通过提取以下几个参数：①相邻两段之间的应变增量；②布点位置；③该段曲率值；其中，所述布点位置可以采用各点相对于第一个点的位置。由于不同导管变形类型上述参数变化特征是不同的，通过试验发现，利用机器学习中的聚类算法对上述参数进行聚类，能够沿着导管变形将导管自动分成位移不变段、位移上翘段和位移下挠段。进而对这三种不同形态采用不同的修正系数修正，提高整体变形的测量精度。

步骤4：对于不同形态类别的分段选择不同的修正系数，对相应控制点的曲率进行修正，从而构建出该液体导管在空间上的形状，进而反映出所在线性工程的变形场。所述修正系数是在传感系统投入使用前进行标定得到的。

修正系数是对3～5种典型变形形状进行标定得到的。对于位移不变段、位移上翘段和位移下挠段的修正系数不同，所以共选择三种修正系数。通过试验总结发现，对于位移不变段其修正系数为0，对于位移上翘段其位移修正值约为1.1，具体应用时，会对制作完成的传感器标定，取3～5种变形中实际标定结果的平均值；而对于位移下降段其位移修正值约为0.9，同样会根据实际标定数据，取3～5种变形中实际标定结果的平均值；

具体修正方法为：采用以上系数对不同位置的曲率值加权，重新计算一次曲线形状，即完成修正。图7为感测系统真实位移以及曲率修正前、后的效果对比图，可以看出，对曲率进行修正后重建出的三维曲线更趋近真实。

由于在受力相同时，导管内不同密度的填充液体位移变化量不同，位移变化量越大，传感系统的灵敏度越高，因此可以通过填充不同液体在一定范围内调节感测系统的灵敏度。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

本发明的感测系统将传感器阵列布设于柔性液体导管上，测算柔性液体导管的变形场来近似线性工程的变形场，能够重构出长距离的线性工程的变形场，全方位的获取线性工程的变形情况，直观的把握线性工程的健康信息，相较于现有感测方法，监测的准确度更高。

本发明能够通过调整传感器阵列中传感器之间的间距来满足不同区域的测量精度，通过调整导管内液体的类型来控制传感器的敏感度，因而能够最大限度的满足用户对于监测精度的需求。

本发明在进行形态重构时利用了机器学习进行修正，消除了递归计算坐标过程中产生的累计误差，提高了整个监测系统的精度。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于线性工程变形场监测的感测系统，其特征在于,沿线性工程轴线布设，包括：柔性液体导管，以及一组或多组沿导管轴向设于导管表面的光纤传感器阵列；将光纤传感器阵列布设于柔性液体导管上，测算柔性液体导管的变形场，重构出长距离的线性工程的变形场，全方位的获取线性工程的变形情况；所述柔性液体导管中填充液体，其中，所述填充液体为：水、硅油、或乙二醇液体，以保证在不同温度环境下系统的适用性；

所述每组光纤传感器阵列中的光纤传感器数目相同，布设位置一一对应；

与所述各组光纤传感器阵列相连接的光纤采集系统采集各光纤传感器所在位置的曲率数据；根据曲率与位移之间的关系，对三维空间曲线进行初次重建，通过机器学习算法对初次重建的曲线的不同弯曲形状区域进行智能分段，采用不同的修正系数进行修正，构建出柔性液体导管在空间上的形状，通过三维重构得到线性工程的变形场。

2.如权利要求1所述的一种用于线性工程变形场监测的感测系统，其特征在于，所述感测系统一个或多个补液系统连接，所述补液系统包括补液箱和流体驱动装置，所述流体驱动装置用于连接补液箱和柔性液体导管，将补液箱中的液体填充到柔性液体导管内。

3.如权利要求1所述的一种用于线性工程变形场监测的感测系统，其特征在于，每一组光纤传感器阵列中，相邻传感器之间的间距根据测量精度需求调整。

4.如权利要求1所述的一种用于线性工程变形场监测的感测系统，其特征在于，多组光纤传感器阵列沿所述导管的周向均匀布置。

5.如权利要求1所述的一种用于线性工程变形场监测的感测系统，其特征在于，所述感测系统还包括光纤采集系统，与各组光纤传感器阵列连接，采集各传感器所在位置的曲率数据。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述感测系统的线性工程变形场感测系统的感测方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收各组光纤传感器阵列采集的曲率数据，将获得曲率数据的位置记为控制点；基于各控制点的曲率，进行空间曲线三维重建，用以衡量感测系统在三维空间上的形状，从而得到线性工程变形场。

7.如权利要求6所述的感测方法，其特征在于,基于各控制点的曲率，进行空间曲线三维重建包括：

在每个控制点处建立运动坐标系，并且将第一个控制点相应的运动坐标系记为固定坐标系，对于每个当前运动坐标系，依次其计算到下一个运动坐标系的变换矩阵；

基于各控制点的曲率以及变换矩阵，将所有控制点的坐标均转换到固定坐标系，进行空间曲线三维重建。

8.如权利要求6所述的感测方法，其特征在于,接收各组光纤传感器阵列采集的曲率数据后，还对曲率数据赋予权重；各曲率数据的权重大小基于其所处分段的形态类别确定；所述分段的形态类别包括位移不变段、位移递增段和位移递减段。

9.如权利要求8所述的感测方法，其特征在于,对空间曲线进行分段的方法为：基于各控制点的曲率，计算相邻两控制点之间的应变增量，基于曲率、该控制点相对于第一个控制点的位置和应变增量，进行聚类分析，将空间曲线划分为不同形态类别的分段。