CN111238710A - 基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法 - Google Patents

基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法 Download PDF

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CN111238710A CN202010031474.8A CN202010031474A CN111238710A CN 111238710 A CN111238710 A CN 111238710A CN 202010031474 A CN202010031474 A CN 202010031474A CN 111238710 A CN111238710 A CN 111238710A
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岳丽娜
杨燕
刘芳
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Abstract

一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，包括弱光栅阵列传感光缆、光纤光栅振动解调仪与振动信号处理单元，所述弱光栅阵列传感光缆沿被测缆索的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆、被测缆索的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆的末端经光纤光栅振动解调仪与振动信号处理单元进行信号连接，所述弱光栅阵列传感光缆的内部设置有同轴的传感光纤，该传感光纤上等间距的设置有多个弱光栅。本设计结构简单，安装方便，不仅可以实现桥梁缆索索力的在线监测，而且能够获取每根缆索索力的分布状态，为实时掌握桥梁缆索的安全状态提供了一种全新的监测装置和方法。

Description

基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁缆索索力的监测技术，属于光纤传感检测技术领域，尤其涉及一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法。
背景技术
大跨度桥梁的缆索系统(斜拉索、主缆、吊索等)是索类桥梁的核心承力构件，绝大部分的桥梁自重、桥上动载都通过缆索传递到塔柱上，缆索的工作状态是直接反映桥梁结构安全与否的重要指标之一。然而，由于构造设计、环境腐蚀、疲劳积累等原因，缆索在服役期间难免发生不同程度的损伤和劣化，加上交通荷载变化的影响，缆索的受力状态始终处在动态变化之中。因此，研究桥梁缆索的索力状态的监测方法，尤其是在线监测缆索索力的分布状态及其变化，及时掌握缆索的受力状况，对评价桥梁结构的整体安全具有重要意义。
目前，缆索索力的监测方法有多种，如油压表法、磁通量法、测力环法、频率法等。针对已建成的桥梁，频率法是最常用、最有效的方法之一，频率法主要基于压电式拾振器的传感装置，输出弱电信号，直接传输距离不超过几百米，且怕潮湿，易受干扰，不能在自然环境下长期工作，一般仅用于定期检测，而不能在线监测。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不能在线监测缆索索力的缺陷与问题，提供一种能够在线监测缆索索力的基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，包括弱光栅阵列传感光缆、光纤光栅振动解调仪与振动信号处理单元，所述弱光栅阵列传感光缆沿被测缆索的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆、被测缆索的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆的末端经光纤光栅振动解调仪与振动信号处理单元进行信号连接；
所述弱光栅阵列传感光缆的内部设置有同轴的传感光纤，该传感光纤上等间距的设置有多个弱光栅。
所述弱光栅阵列传感光缆的长度与被测缆索的长度相同，所述弱光栅阵列传感光缆通过多个不锈钢扎圈捆扎在被测缆索的表面，不锈钢扎圈的位置与弱光栅阵列传感光缆中弱光栅的位置一一对应。
所述弱光栅阵列传感光缆的断面为圆形，由内至外依次为传感光纤、金属铠装层、外护套；所述传感光纤上任意两个相邻弱光栅之间的间距为2-100米。
所述传感光纤为在拉丝塔上在线连续刻写的全同光栅阵列，该全同阵列光栅的3dB的反射带宽为2—3nm，反射率为-30—50dB。
所述外护套的制造原料为聚氯乙烯护套料、阻燃护套料或耐电护套料，所述外护套的内部设置有四根钢丝加强件，四根钢丝加强件沿同一圆周均匀设置；
所述金属铠装层的制造原料为铝塑复合带、钢塑复合带、螺旋钢铠、钢绞线或不锈钢管，所述金属铠装层的孔径为0.8—6mm。
所述光纤光栅振动解调仪包括宽带光源、半导体激光放大器、环形器、光电转换器与采集卡。
一种上述基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，包括以下步骤：先通过弱光栅阵列传感光缆获取被测缆索上各段的振动响应信号，被测缆索上位于相邻两个弱光栅之间的部位视之为一段，再通过振动信号处理单元对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频，然后根据振动基频计算出各段缆索的索力，再绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索的索力的分布图。
所述振动响应信号由光纤光栅振动解调仪采集；
所述对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频是指：先对采集到的振动响应信号进行FFT变换以获取振动频谱，再根据被测缆索的索力设计值以计算被测缆索的基频范围，然后对振动频谱进行带通滤波以缩小频率识别区间，再从滤波后的信号中读取各阶峰值对应的频率，若有任意三阶相邻频率满足公式fi+1-fi＝fi-fi-1＝f0，则差值f0为被测缆索的振动基频。
所述根据振动基频计算出各段缆索的索力是指：
根据公式T＝4ml2f0 2，计算被测缆索的索力T，式中m为被测缆索的线密度，l为被测缆索的有效长度，f0为被测缆索的振动基频。
所述绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线中，所述各段缆索索力是指：某一时间范围内各段缆索的平均索力，该平均索力的获取公式为：
Figure BDA0002364469180000031
其中，
Figure BDA0002364469180000032
为平均索力，Ti为每次计算所得的索力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法中，先在被测缆索上同轴、紧贴的设置一根等长的弱光栅阵列传感光缆，再通过光纤光栅振动解调仪对弱光栅阵列传感光缆传来的振动响应信号进行采集，然后由振动信号处理单元对振动响应信号进行处理以识别出各段缆索的振动基频，再根据振动基频计算出各段缆索的索力，然后绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索的索力的分布图，依据该分布图即可对被测缆索索力的分布状态及其变化进行监测，及时掌握缆索的受力状况，对评价桥梁结构的整体安全具有重要意义。因此，本发明能够在线监测缆索索力，并获得其索力分布状态。
2、本发明一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法中，采用多个弱光栅对整根被测缆索进行分布式振动检测，该种弱光栅阵列振动传感技术新颖，先进，适合于桥梁缆索沿程索力的分布监测，为桥梁缆索索力状态的在线监测提供了一种全新、可靠的技术手段，此外，基于弱光栅技术和迈克尔逊干涉原理制作的弱光栅阵列传感光缆相当于若干个等间距振动传感器组成的传感阵列，既可以监测每段缆索索力的大小及其变化，也能监测整根缆索沿程索力的分布。因此，本发明能对被测缆索进行每段及整根监测，功能较强。
3、本发明一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法中，采用的弱光栅阵列传感光缆是在生产线上一次性制作完成，中间无熔接点，强度可靠，此外，应用时，只需在被测缆索表面采用不锈钢扎圈等距离固定即可，安装方便，简洁美观。因此，本发明不仅可靠性较强，而且易于装配与应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中弱光栅阵列传感光缆的结构示意图。
图3是图1中弱光栅阵列传感光缆的径向剖面结构图。
图4是本发明中振动信号处理单元的工作流程图，图中的斜拉索即为被测缆索。
图5是本发明的实施例2中被测缆索的振动时域图，图中的横坐标表示时间，单位是秒，纵坐标表示振动幅值，单位是伏。
图6是本发明的实施例2中被测缆索的振动频谱图，图中的横坐标表示振动频率，单位是Hz，纵坐标表示振动幅值，单位是伏。
图7是本发明的实施例2中被测缆索的索力分布图，图中的横坐标表示被测缆索的长度位置，单位是米，纵坐标表示索力，单位是吨。
图中：振动信号处理单元1、光纤光栅振动解调仪2、弱光栅阵列传感光缆3、传感光纤31、弱光栅311、金属铠装层32、外护套33、钢丝加强件331、被测缆索4、不锈钢扎圈41。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图7，一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，包括弱光栅阵列传感光缆3、光纤光栅振动解调仪2与振动信号处理单元1，所述弱光栅阵列传感光缆3沿被测缆索4的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆3、被测缆索4的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆3的末端经光纤光栅振动解调仪2与振动信号处理单元1进行信号连接；
所述弱光栅阵列传感光缆3的内部设置有同轴的传感光纤31，该传感光纤31上等间距的设置有多个弱光栅311。
所述弱光栅阵列传感光缆3的长度与被测缆索4的长度相同，所述弱光栅阵列传感光缆3通过多个不锈钢扎圈41捆扎在被测缆索4的表面，不锈钢扎圈41的位置与弱光栅阵列传感光缆3中弱光栅311的位置一一对应。
所述弱光栅阵列传感光缆3的断面为圆形，由内至外依次为传感光纤31、金属铠装层32、外护套33；所述传感光纤31上任意两个相邻弱光栅311之间的间距为2-100米。
所述传感光纤31为在拉丝塔上在线连续刻写的全同光栅阵列，该全同阵列光栅的3dB的反射带宽为2—3nm，反射率为-30—50dB。
所述外护套33的制造原料为聚氯乙烯护套料、阻燃护套料或耐电护套料，所述外护套33的内部设置有四根钢丝加强件331，四根钢丝加强件331沿同一圆周均匀设置；
所述金属铠装层32的制造原料为铝塑复合带、钢塑复合带、螺旋钢铠、钢绞线或不锈钢管，所述金属铠装层32的孔径为0.8—6mm。
所述光纤光栅振动解调仪2包括宽带光源、半导体激光放大器、环形器、光电转换器与采集卡。
一种上述基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，包括以下步骤：
先通过弱光栅阵列传感光缆3获取被测缆索4上各段的振动响应信号，被测缆索4上位于相邻两个弱光栅311之间的部位视之为一段，再通过振动信号处理单元1对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频，然后根据振动基频计算出各段缆索的索力，再绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索4的索力的分布图。
所述振动响应信号由光纤光栅振动解调仪2采集；
所述对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频是指：先对采集到的振动响应信号进行FFT变换以获取振动频谱，再根据被测缆索4的索力设计值以计算被测缆索4的基频范围，然后对振动频谱进行带通滤波以缩小频率识别区间，再从滤波后的信号中读取各阶峰值对应的频率，若有任意三阶相邻频率满足公式fi+1-fi＝fi-fi-1＝f0，则差值f0为被测缆索4的振动基频。
所述根据振动基频计算出各段缆索的索力是指：
根据公式T＝4ml2f0 2，计算被测缆索4的索力T，式中m为被测缆索4的线密度，l为被测缆索4的有效长度，f0为被测缆索4的振动基频。
所述绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线中，所述各段缆索索力是指：某一时间范围内各段缆索的平均索力，该平均索力的获取公式为：
Figure BDA0002364469180000061
其中，
Figure BDA0002364469180000062
为平均索力，Ti为每次计算所得的索力。
本发明的原理说明如下：
本发明中的光纤光栅振动解调仪2包括宽带光源(ASE)、半导体激光放大器(SOA)、环形器、3×3耦合器、迈克尔逊干涉仪、光电转换器、高速数据采集单元和脉冲信号控制器(FPGA)等，宽带光源的光经过SOA放大后，通过环形器进入弱光栅阵列，反射光在不同时间反射回来，相邻两个弱光栅反射信号分别进入3×3耦合器，经过迈克尔逊干涉仪发生干涉现象，干涉信号经过光电转换为电压信号，由采集卡采集后输入到振动信号处理单元。优选宽带光源为单波长相干激光光源或多波长相干激光光源，弱光栅的工作波长在1.55um或1.31um波段。
本发明中弱光栅阵列传感光缆3的振动测量原理为：一束相干光在相邻两光栅上被反射，两反射光在探测器处发生干涉，若两光栅间的光纤受外界振动影响，两反射光的光程差将发生改变，从而引起干涉光强度的变化，检测干涉光强度变化及变化频率就能感知外界振动，通过时分复用技术对每个干涉信号的逐一检测，实现对整根光缆的分布式振动检测。
本发明中优选的还可在振动信号处理单元1之后增加与其相连接的报警单元(如图1所示)，分析和判断缆索受力状态是否安全，若不安全则报警。
实施例1：
参见图1—图7，一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，包括弱光栅阵列传感光缆3、光纤光栅振动解调仪2与振动信号处理单元1，所述弱光栅阵列传感光缆3沿被测缆索4的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆3、被测缆索4的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆3的末端经光纤光栅振动解调仪2与振动信号处理单元1进行信号连接；所述弱光栅阵列传感光缆3的内部设置有同轴的传感光纤31，该传感光纤31上等间距的设置有多个弱光栅311。
一种上述基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，包括以下步骤：先通过弱光栅阵列传感光缆3获取被测缆索4上各段的振动响应信号，被测缆索4上位于相邻两个弱光栅311之间的部位视之为一段，再通过振动信号处理单元1对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频，然后根据振动基频计算出各段缆索的索力，再绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索4的索力的分布图。在获得分布图之后，当评价被测缆索的受力状态时，不以缆索某一时刻的索力状态作为评价指标，而以一段时程内的索力变化趋势作为评价依据。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
被测缆索4为斜拉索，长度为20.28米，弱光栅阵列传感光缆3的直径为6mm，相邻弱光,311的间距为2.028米，弱光栅311的3dB反射带宽为3nm，反射率为-30dB，中心波长为1552nm，弱光,311的数量为11个，等间距布置，被测缆索4被11个弱光栅311划分为十段。
监测方法依次包括以下四个步骤：
(1)提取斜拉索的振动数据：每2分钟提取一段8秒的斜拉索振动时程数据以作为振动响应信号，如图5所示；
(2)斜拉索振动基频识别：先对提取的振动响应信号进行FFT变换以获取振动频谱，再根据该斜拉索的索力设计值，计算斜拉索的基频范围，然后对振动频谱进行带通滤波，缩小频率识别区间，从滤波后的信号中读取各阶峰值对应的频率，若有任意三阶相邻频率满足公式：
fi+1-fi＝fi-fi-1＝f0，则差值f0为斜拉索的振动基频，如图6所示；
(3)斜拉索的索力计算：根据公式T＝4ml2 f0 2，计算斜拉索的索力T，式中m为被测缆索4的线密度，l为被测缆索4的有效长度，f0为被测缆索4的振动基频；
(4)绘制斜拉索的索力分布图：先求取每段斜拉索10分钟内的平均索力，该平均索力的获取公式为：
Figure BDA0002364469180000071
其中，
Figure BDA0002364469180000072
为平均索力，Ti为每次计算所得的索力，再绘制各段斜拉索的索力(N＝1、2…10)与缆索长度L对应关系的曲线即为桥梁缆索索力的分布图，如图7所示。
此外，在评价桥梁缆索状态的环节中，不以缆索某一时刻的索力状态作为评价指标，而以一段时程内的索力变化趋势作为评价依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述监测装置包括弱光栅阵列传感光缆(3)、光纤光栅振动解调仪(2)与振动信号处理单元(1)，所述弱光栅阵列传感光缆(3)沿被测缆索(4)的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆(3)、被测缆索(4)的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆(3)的末端经光纤光栅振动解调仪(2)与振动信号处理单元(1)进行信号连接；
所述弱光栅阵列传感光缆(3)的内部设置有同轴的传感光纤(31)，该传感光纤(31)上等间距的设置有多个弱光栅(311)。
2.根据权利要求1所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述弱光栅阵列传感光缆(3)的长度与被测缆索(4)的长度相同，所述弱光栅阵列传感光缆(3)通过多个不锈钢扎圈(41)捆扎在被测缆索(4)的表面，不锈钢扎圈(41)的位置与弱光栅阵列传感光缆(3)中弱光栅(311)的位置一一对应。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述弱光栅阵列传感光缆(3)的断面为圆形，由内至外依次为传感光纤(31)、金属铠装层(32)、外护套(33)；所述传感光纤(31)上任意两个相邻弱光栅(311)之间的间距为2-100米。
4.根据权利要求3所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述传感光纤(31)为在拉丝塔上在线连续刻写的全同光栅阵列，该全同阵列光栅的3dB的反射带宽为2—3nm，反射率为-30—50dB。
5.根据权利要求3所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述外护套(33)的制造原料为聚氯乙烯护套料、阻燃护套料或耐电护套料，所述外护套(33)的内部设置有四根钢丝加强件(331)，四根钢丝加强件(331)沿同一圆周均匀设置；
所述金属铠装层(32)的制造原料为铝塑复合带、钢塑复合带、螺旋钢铠、钢绞线或不锈钢管，所述金属铠装层(32)的孔径为0.8—6mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述光纤光栅振动解调仪(2)包括宽带光源、半导体激光放大器、环形器、光电转换器与采集卡。
7.一种权利要求1或2所述的基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于所述监测方法包括以下步骤：
先通过弱光栅阵列传感光缆(3)获取被测缆索(4)上各段的振动响应信号，被测缆索(4)上位于相邻两个弱光栅(311)之间的部位视之为一段，再通过振动信号处理单元(1)对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频，然后根据振动基频计算出各段缆索的索力，再绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索(4)的索力的分布图。
8.根据权利要求7所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：
所述振动响应信号由光纤光栅振动解调仪(2)采集；
所述对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频是指：先对采集到的振动响应信号进行FFT变换以获取振动频谱，再根据被测缆索(4)的索力设计值以计算被测缆索(4)的基频范围，然后对振动频谱进行带通滤波以缩小频率识别区间，再从滤波后的信号中读取各阶峰值对应的频率，若有任意三阶相邻频率满足公式fi+1-fi＝fi-fi-1＝f0，则差值f0为被测缆索(4)的振动基频。
9.根据权利要求7所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：所述根据振动基频计算出各段缆索的索力是指：
根据公式T＝4ml2f0 2，计算被测缆索(4)的索力T，式中m为被测缆索(4)的线密度，l为被测缆索(4)的有效长度，f0为被测缆索(4)的振动基频。
10.根据权利要求7所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：所述绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线中，所述各段缆索索力是指：某一时间范围内各段缆索的平均索力，该平均索力的获取公式为：
Figure FDA0002364469170000021
其中，
Figure FDA0002364469170000022
为平均索力，Ti为每次计算所得的索力。
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