CN110715684A - 基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁悬索结构健康监测技术领域，具体地说，涉及一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统及方法。该系统包括光纤光栅传感器和本地上位机，光纤光栅传感器包括串联连接的多个且分别设于桥梁索夹的不同位置处，本地上位机用于对光纤光栅传感器进行驱动及对光纤光栅传感器处采集的数据进行处理。该方法基于上述系统实现。本发明能够较佳地对桥梁悬索结构的健康状态进行长期在线监测。

Description

基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥梁悬索结构健康监测技术领域，具体地说，涉及一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统及方法。

背景技术

从20世纪以来，我国建造了大量的悬索梁、斜拉桥和吊杆拱桥。其中，索体系包括主缆、斜拉索和吊杆/吊索等作为桥梁的主要受力构件，其自身结构的安全性和耐久性对桥梁整体性能有很大影响。

就悬索桥，其构件主要包括主缆、索夹和吊杆/吊索，桥体处的负荷能够经由吊杆/吊索传递至主缆处，索夹用于实现主缆与吊杆/吊索的联接。

索夹作为悬索桥主要受力构件之一，其既对主缆和吊杆/吊索之间起联接作用以将吊杆/吊索承受的荷载传递至主缆处，又能够对主缆起定型作用。索夹的制作精度、安装误差、长期使用产生的结构损伤等将直接对吊杆/吊索、加劲梁等主要受力结构的受力产生影响，严重影响桥梁的整体健康状态，危及人民的生命财产安全，因此对桥梁索夹结构健康状态的实时监测是十分有必要的，而且意义重大。

现有的索夹通常包括上索夹和下索夹，上索夹和下索夹之间通常通过索夹螺杆产生预紧力以固定在悬索桥的主缆处。但随着使用时间的增加，索夹会产生松动，进而甚至导致牵引力不足，此时桥梁也随之产生安全隐患。造成索夹产生松动的原因主要有如下几种：1)主缆钢丝镀锌层的蠕变，使主缆截面变化；2)与索夹螺杆配合的螺栓材料时效松弛；3)主缆受力变细；4)索夹变形；5)荷载变化使主缆内钢丝排列变化，主缆孔隙率变小；6)主缆缠包带的变形；7)索夹和主缆的温差。

目前，对索夹有无损坏进行监测的技术主要有：振动法、拔出法、超声波法等；现有方法均是针对索夹螺杆进行应力监测，监测误差较大，且无法提供实时监测数据，缺乏对索夹状态的长期实时监测，难以实现索夹结构健康状态的实时监测及预警，存在安全隐患。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其包括光纤光栅传感器和本地上位机，光纤光栅传感器包括串联连接的多个且分别设于桥梁索夹的不同位置处，本地上位机用于对光纤光栅传感器进行驱动及对光纤光栅传感器处采集的数据进行处理。

本发明中，通过在桥梁索夹的不同位置处设置多个光纤光栅传感器，能够较佳地对桥梁索夹处的多个不同参数进行检测，且通过本地上位机能够较佳地对每个光纤光栅传感器所采集的数据进行处理，进而能够较佳地实现对桥梁索夹的多个不同参数的实时长期在线检测，进而能够较佳地实现对桥梁索夹的健康状态的长期实时在线监测。

作为优选，还包括远程服务单元、移动终端和电脑终端，远程服务单元用于接收和管理本地上位机上传的处理数据，移动终端和电脑终端用于自远程服务单元处获取相关数据。

本发明中，通过设置远程服务单元能够较佳地将本地上位机处的数据进行远程上传及远程管理，从而使得通过移动终端和电脑终端能够实时地自远程服务单元处下载或查询本地上位机处所上传的数据，进而能够较佳地实现对桥梁索夹相关数据的实时查看和管理。通过该种方式，能够较佳地实现对桥梁索夹的相关数据的实时采集、检测等，进而能够实时地知晓相应桥梁索夹处的参数变化，进而能够较佳地实现对桥梁索夹结构健康状态的实时在线监测，从而能够及时地发现相应桥梁索夹处的安全隐患。

作为优选，还包括报警单元，远程服务单元能够用于在光纤光栅传感器检测的相关数据偏离设定阈值时向报警单元发送报警信号，报警单元用于在接收到报警信号时动作。

本发明中，通过设置报警单元，能够较佳地在桥梁索夹处的相应参数偏离设定阈值时进行及时报警，故而能够较佳地实现对桥梁索夹的健康状态的自动预警。

作为优选，所述多个光纤光栅传感器分别设于主缆、索夹以及索夹与一固定点处。从而能够较佳地实现对主缆和索夹的相关参数以及索夹与一固定点间的偏移量进行检测。

作为优选，设于主缆处的光纤光栅传感器包括构造成用于对主缆处的温度进行检测的第一光纤光栅温度传感器；设于索夹处的光纤光栅传感器包括构造成用于对索夹处的温度进行检测的第二光纤光栅温度传感器和用于对索夹处的应变进行检测的第一光纤光栅应变传感器，第二光纤光栅温度传感器设于索夹的上索夹或下索夹处，第一光纤光栅应变传感器设于索夹的上索夹与下索夹的连接处；设于索夹与一固定点处的光纤光栅传感器包括构造成用于对于索夹的位移量进行检测的第二光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器或光纤光栅力传感器。

本发明中，通过在主缆处设置第一光纤光栅温度传感器、在索夹处设置第二光纤光栅温度传感器，能够较佳地对主缆和索夹处的温度差进行实时监控，从而能够较佳地在监控到温度差超过设定阈值时进行人工干预，故能够有效地预防因主缆和索夹处的温度差而导致的索夹的松动。

其中，通过在上索夹与下索夹的连接处设置第一光纤光栅应变传感器，能够较佳地实现上索夹与下索夹间的应力变化的检测，故能够较佳地对上索夹与下索夹间的偏移量进行检测，从而能够在上索夹与下索夹间的偏移超过设定阈值时进行人工干预，故能够有效地预防因上索夹与下索夹间的偏移而导致的索夹的松动。这是因为，如果上索夹与下索夹发生松动，则上索夹与下索夹之间的应变就会发生突变或持续性变化，故通过设置第一光纤光栅应变传感器即可较佳地对该应变变化进行检测，从而能够及时知晓上索夹与下索夹之间是否存在松动。

其中，通过在索夹与一固定点处设置位移量光纤光栅应变传感器，能够直观有效地直接对索夹在主缆处的位移量进行监控，从而能够及时检测出索夹是否在主缆存在位移，从而能够较佳地对索夹的松动进行检测。

作为优选，固定点包括与相应索夹相邻地设于主缆处的夹具，夹具与相应索夹间设有钢筋或钢索，所述设于索夹与一固定点处的光纤光栅传感器设于钢筋或钢索处。

本发明中，通过人为设置一个相对固定点，能够较佳地通过检测索夹与固定点的间的位移量作为索夹在主缆处的位移。

其中，通过在主缆处设置夹具，由于夹具不承受载荷，故能够认为夹具的位置相对固定，通过在夹具与相应索夹间设置连接件，使得连接件能够较佳地在相应索夹发生滑移时应力发生变化，故通过将光纤光栅传感器设于连接件处，即可较佳地对相应索夹的滑移进行检测。

作为优选，所述多个光纤光栅传感器通过胶粘、捆绑或焊接分别设于主缆、索夹以及索夹与一固定点处。从而便于设置。

本发明还提供了一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测方法，其包括如下步骤：

步骤一、在桥梁索夹的不同位置处设置多个串联连接的光纤光栅传感器；

步骤二、通过一本地上位机对光纤光栅传感器进行驱动并对光纤光栅传感器采集的数据进行处理进而获取相关参数。

本发明中，通过在桥梁索夹的不同位置处设置多个光纤光栅传感器，能够构造成多种参数的传感装置，从而能够较佳地对桥梁索夹处的多种不同参数进行检测，故能够较佳在本地上位机处对桥梁索夹的健康状态进行长期实时在线监测。

作为优选，还包括采用远程服务单元对本地上位机处的数据进行远程接收和管理以及下发给移动终端和电脑终端的步骤。从而能够较佳地实现对本地上位机处的数据的远程管理和对桥梁索夹处状态的远程监控。

作为优选，还包括通过远程服务单元在相关数据偏离设定阈值时通过一报警单元进行报警的步骤。从而能够较佳地在相关监控数据发生偏离正常值时，及时进行预警/报警。

附图说明

图1为实施例1中的桥梁索夹健康监测系统的框图示意图；

图2为实施例1中的桥梁索夹健康监测系统的示意图；

图3为实施例1中的第一光纤光栅应变传感器与索夹的配合示意图；

图4为实施例1中的第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅温度传感器与索夹的配合示意图；

图5为实施例1中的第一光纤光栅温度传感器和位移量光纤光栅应变传感器的装配示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

结合图1和2所示，本实施例提供了一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其包括光纤光栅传感器220和本地上位机210，光纤光栅传感器220包括串联连接的多个且分别设于桥梁索夹300的不同位置处，本地上位机210用于对光纤光栅传感器220进行驱动及对光纤光栅传感器220处采集的数据进行处理。

本实施例中，通过在桥梁索夹300的不同位置处设置多个光纤光栅传感器220，能够较佳地对桥梁索夹300处的多个不同参数进行检测，且通过本地上位机210能够较佳地对每个光纤光栅传感器220所采集的数据进行处理，进而能够较佳地实现对桥梁索夹300的多个不同参数的实时长期在线检测，进而能够较佳地实现对桥梁索夹300的健康状态的长期实时在线监测。

本领域技术人员可以知晓的是，通过本地上位机210对光纤光栅传感器220进行驱动及数据采集处理，为本领域成熟的技术，故本实施例中不予赘述。

本实施例中，还包括远程服务单元230、移动终端240和电脑终端250，远程服务单元230用于接收和管理本地上位机210上传的处理数据，移动终端240和电脑终端250用于自远程服务单元230处获取相关数据。

本实施例中，通过设置远程服务单元230能够较佳地将本地上位机210处的数据进行远程上传及远程管理，从而使得通过移动终端240和电脑终端250能够实时地自远程服务单元230处下载或查询本地上位机210处所上传的数据，进而能够较佳地实现对桥梁索夹300相关数据的实时查看和管理。通过该种方式，能够较佳地实现对桥梁索夹300的相关数据的实时采集、检测等，进而能够实时地知晓相应桥梁索夹300处的参数变化，进而能够较佳地实现对桥梁索夹结构健康状态的实时在线监测，从而能够及时地发现相应桥梁索夹300处的安全隐患。

本领域技术人员可以知晓的是，通过建立本地上位机210、远程服务单元230、移动终端240和电脑终端250间的数据链路，以实现数据的远程传输，为本领域成熟的技术，故本实施例中不予赘述。

本实施例中，还包括报警单元260，远程服务单元230能够用于在光纤光栅传感器检测的相关数据偏离设定阈值时向报警单元260发送报警信号，报警单元260用于在接收到报警信号时动作。

本实施例中，通过设置报警单元260，能够较佳地在桥梁索夹300处的相应参数偏离设定阈值时进行及时报警，故而能够较佳地实现对桥梁索夹300的健康状态的自动预警。

可以理解的是，报警单元260能够为独立的器件，其与远程服务单元230建立通讯链路即可较佳地实现远程报警。报警单元260也可以依附于移动终端240或电脑终端250处，且当报警单元260依附于移动终端240或电脑终端250处时，报警单元260能够为通过编程语言搭建的虚拟模块。

结合图3、4和5所示，所述多个光纤光栅传感器220分别设于主缆510、索夹300以及索夹300与一固定点处。从而能够较佳地实现对主缆510和索夹300的相关参数以及索夹300与一固定点间的偏移量进行检测。

本实施例中，设于主缆510处的光纤光栅传感器220包括构造成用于对主缆510处的温度进行检测的第一光纤光栅温度传感器511；

设于索夹300处的光纤光栅传感器220包括构造成用于对索夹300处的温度进行检测的第二光纤光栅温度传感器410和用于对索夹300处的应变进行检测的第一光纤光栅应变传感器310，第二光纤光栅温度传感器410设于索夹300的上索夹320或下索夹330处，第一光纤光栅应变传感器310设于索夹300的上索夹320与下索夹330的连接处；

设于索夹300与一固定点处的光纤光栅传感器220包括构造成用于对于索夹300的位移量进行检测的位移量光纤光栅应变传感器520，位移量光纤光栅应变传感器520采用第二光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器或光纤光栅力传感器。

本实施例中，通过在主缆510处设置第一光纤光栅温度传感器511、在索夹300处设置第二光纤光栅温度传感器410，能够较佳地对主缆510和索夹300处的温度差进行实时监控，从而能够较佳地在监控到温度差超过设定阈值时进行人工干预，故能够有效地预防因主缆510和索夹300处的温度差而导致的索夹300的松动。

其中，通过在上索夹320与下索夹330的连接处设置第一光纤光栅应变传感器310，能够较佳地实现上索夹320与下索夹330间的应力变化的检测，故能够较佳地对上索夹320与下索夹330间的偏移量进行检测，从而能够在上索夹320与下索夹330间的偏移超过设定阈值时进行人工干预，故能够有效地预防因上索夹320与下索夹330间的偏移而导致的索夹300的松动。这是因为，如果上索夹320与下索夹330发生松动，则上索夹320与下索夹330之间的应变就会发生突变或持续性变化，故通过设置第一光纤光栅应变传感器310即可较佳地对该应变变化进行检测，从而能够及时知晓上索夹320与下索夹330之间是否存在松动。本领域技术人员应当知晓的是，第一光纤光栅应变传感器310设置的越密集则检测结果越准确，本实施例中通过在上索夹320与下索夹330的连接处的每个侧面处均设置1-3个第一光纤光栅应变传感器310，即可在较小成本的前提下获取较佳的检测准确性。

其中，通过在索夹300与一固定点处设置位移量光纤光栅应变传感器520，能够直观有效地直接对索夹300在主缆510处的位移量进行监控，从而能够及时检测出索夹300是否在主缆510存在位移，从而能够较佳地对索夹300的松动进行检测。

通过上述构造使得，能够针对造成索夹300的螺杆预紧力下降的成因，检测如下三个方面：1)监测索夹300的整体变形情况；2)监测索夹300的整体滑移；3)监测索夹300和主缆510温度差。从而能够较佳地对桥梁悬索结构的健康状态进行监测。

结合图5所示，固定点包括与相应索夹300相邻地设于主缆510处的夹具521，夹具521与相应索夹300间设有连接件522，连接件522采用钢筋或钢索，所述设于索夹300与一固定点处的光纤光栅传感器200设于钢筋或钢索处。

本实施例中，通过人为设置一个相对固定点，能够较佳地通过检测索夹300与固定点的间的位移量作为索夹300在主缆510处的位移。

其中，通过在主缆510处设置夹具521，由于夹具521不承受载荷，故能够认为夹具521的位置相对固定，通过在夹具521与相应索夹300间设置连接件522，使得连接件522能够较佳地在相应索夹300发生滑移时应力发生变化，故通过将光纤光栅传感器200设于连接件522处，即可较佳地对相应索夹300的滑移进行检测。

其中，夹具521的构造能够与索夹300类似。

另外，固定点也能够选在桥墩桥柱上，但不能够较佳地便于传感器安装，且距离较远，故误差会较大。

本实施例中，所述多个光纤光栅传感器200通过胶粘、捆绑或焊接分别设于主缆510、索夹300以及索夹300与一固定点处。从而便于设置。

基于本实施例的监测系统，本实施例还提供了一种基于光纤传感的桥梁索夹健康监测方法，其包括如下步骤：

步骤一、在桥梁索夹300的不同位置处设置多个串联连接的光纤光栅传感器；

步骤二、通过一本地上位机210对光纤光栅传感器进行驱动并对光纤光栅传感器采集的数据进行处理进而获取相关参数。

本实施例中，通过在桥梁索夹300的不同位置处设置多个光纤光栅传感器，能够构造成多种参数的传感装置，从而能够较佳地对桥梁索夹300处的多种不同参数进行检测，故能够较佳在本地上位机210处对桥梁索夹300的健康状态进行长期实时在线监测。

本实施例的方法中，还包括采用远程服务单元230对本地上位机210处的数据进行远程接收和管理以及下发给移动终端240和电脑终端250的步骤。从而能够较佳地实现对本地上位机210处的数据的远程管理和对桥梁索夹300处状态的远程监控。

本实施例的方法中，还包括通过远程服务单元230在相关数据偏离设定阈值时通过一报警单元260进行报警的步骤。从而能够较佳地在相关监控数据发生偏离正常值时，及时进行预警/报警。

本实施例中，由于采用了光纤光栅传感器，而光纤光栅传感器由于刻写于光纤处的光栅的间距在温度和应力改变时能够发生变化，从而能够引起光纤内光波波长的变化，故通过现有的算法能够较佳地解析出温度或者应变的变化。且由于光纤光栅传感器能够进行串联连接，通过现有的算法即可获取不同光纤光栅传感器处的波长变化，故本实施例中，通过光纤光栅传感器对桥梁索夹300的健康状态进行检测，能够较佳地便于光纤光栅传感器的布置。

本领域技术人员应当知晓的是，采用光纤光栅传感器构造成如对温度、应力、位移、力等参数进行检测的传感器，为现有成熟的技术，故本实施例中不予赘述。

本实施例中，所有光纤光栅传感器220串联后能够通过光缆与本地上位机210连接，光缆能够沿主缆510进行布置，故便于设置。

此外，本地上位机210能够包括设于机房处的解调仪和工控机主机，进而对光纤光栅传感器220中的数据进行处理分析；本地上位机210也能够包括设于现场处的光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪能够通过太阳能供电且通过无线传输的方式与远程服务单元230进行通信，从而能够将相关数据通过无线通信网络传输至远程服务单元230处进行数据的处理分析并建立数据库，同时能够将相关数据和预警信息，通过网络发送至用户端(移动终端240、电脑终端250、报警单元260等)。

本实施例通过设计索夹结构健康状态监测系统和方法，能够实时监测索夹300的变形、滑移以及和索缆之间的温差等参数，且具有抗干扰、长期稳定性好、测量精度高等优点，能够较佳地实现对索夹结构健康状态的实时在线监测，保障桥梁的正常平稳运行。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器和本地上位机，光纤光栅传感器包括串联连接的多个且分别设于桥梁索夹的不同位置处，本地上位机用于对光纤光栅传感器进行驱动及对光纤光栅传感器处采集的数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：还包括远程服务单元、移动终端和电脑终端，远程服务单元用于接收和管理本地上位机上传的处理数据，移动终端和电脑终端用于自远程服务单元处获取相关数据。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：还包括报警单元，远程服务单元能够用于在光纤光栅传感器检测的相关数据偏离设定阈值时向报警单元发送报警信号，报警单元用于在接收到报警信号时动作。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：所述多个光纤光栅传感器分别设于主缆、索夹以及索夹与一固定点处。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：设于主缆处的光纤光栅传感器包括构造成用于对主缆处的温度进行检测的第一光纤光栅温度传感器；设于索夹处的光纤光栅传感器包括构造成用于对索夹处的温度进行检测的第二光纤光栅温度传感器和用于对索夹处的应变进行检测的第一光纤光栅应变传感器，第二光纤光栅温度传感器设于索夹的上索夹或下索夹处，第一光纤光栅应变传感器设于索夹的上索夹与下索夹的连接处；设于索夹与一固定点处的光纤光栅传感器包括构造成用于对于索夹的位移量进行检测的第二光纤光栅应变传感器、光纤光栅位移传感器或光纤光栅力传感器。

6.根据权利要求4所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：固定点包括与相应索夹相邻地设于主缆处的夹具，夹具与相应索夹间设有钢筋或钢索，所述设于索夹与一固定点处的光纤光栅传感器设于钢筋或钢索处。

7.根据权利要求4所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测系统，其特征在于：所述多个光纤光栅传感器通过胶粘、捆绑或焊接分别设于主缆、索夹以及索夹与一固定点处。

8.基于光纤传感的桥梁索夹健康监测方法，其包括如下步骤：

步骤一、在桥梁索夹的不同位置处设置多个串联连接的光纤光栅传感器；

步骤二、通过一本地上位机对光纤光栅传感器进行驱动并对光纤光栅传感器采集的数据进行处理进而获取相关参数。

9.根据权利要求8所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测方法，其特征在于：还包括采用远程服务单元对本地上位机处的数据进行远程接收和管理以及下发给移动终端和电脑终端的步骤。

10.根据权利要求9所述的基于光纤传感的桥梁索夹健康监测方法，其特征在于：还包括通过远程服务单元在相关数据偏离设定阈值时通过一报警单元进行报警的步骤。

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