CN111750796A - 布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种桥梁梁体变形监测系统，具体包括桥面水箱，便于养护人员观测液位计水量，进行加水维护操作，利用调节阀与布拉格光纤光栅差异沉降测量(Fiber Bragg Grating‑Differential Settlement Measurement，简称FBG‑DSM)静力水准传感器相连，基于光纤光栅传感器温度自补偿功能剔除由温度改变所造成的布拉格波长的漂移量；基于三轴光纤光栅阵列式传感器倾斜自校正功能补偿由于构件轴向不对中造成的测量误差，在一个观测点同时实现静态监测和动态监测。本系统制作方便、灵敏度高、精度高、密封好，可准确测量结构的挠度和挠度相关的物理量。

Description

布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统
技术领域：
本发明涉及桥梁监测系统领域，具体涉及一种桥梁梁体变形监测系统。
背景技术
桥梁在行驶车辆的不断作用下，其梁体产生较明显的动态弯曲变形。在众多变形中，桥梁的挠度是桥梁安全状况评价的主要参数，它直接反映桥梁结构的竖向整体刚度、承载能力和抵御地震等动荷载的能力。对桥梁健康监测系统来说，挠度监测是其中一项重要内容，以确保桥梁足够的刚度。然而目前就现有的健康监测系统来说,挠度的监测方法都有一些局限，需进一步进行研究。
目前，桥梁挠度的测量大多采用静力水准仪测量法，其原理简单，测量精度高，结果可靠。但采用该方法只能实现静态测量，不能实现动态连续监测。由于其内部液体的挥发，需对其定时进行养护维修，养护人员观测液位计水量或对其液体进行补给时，须进入箱梁内部，操作非常不便。除此之外，现在的变形传感器系统通常采用多个低速信道，信道容量的利用率较低，倘若一条通信线路只能为一路信号提供服务，那么此路信号就需要承担起整个通信线路的费用，成本压力巨大。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在的不足及未涉及之处，提出了通过采用压力调节阀连接静态水箱与桥面水箱，水箱置于桥面作为长期补给水源，可以方便养护人员观测液位计水量，进行加水维护操作；以静态水准变形监测为校准参考，利用光纤光栅进行动态变形监测，并基于光栅温度自补偿功能剔除由温度改变所造成的布拉格波长的漂移量，在一个观测点同时实现静态监测和动态监测；利用光栅加速度传感器所得结果积分得到动态位移；利用时分多路复用技术TDM(Time Division Multiplex，简称TDM)，将静态变形监测、三轴动态变形监测等多个信号采用一个信道进行传输，实现静动态变形监测的集约化。该系统制作方便、灵敏度高、精度高、密封好，可准确测量结构的挠度和挠度相关的物理量。
具体技术方案如下：
一种布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，包括水箱，压力调节阀，布拉格光纤光栅差异沉降测量(Fiber Bragg Grating-Differential SettlementMeasurement，简称FBG-DSM)静力水准传感器，光栅加速度传感器；
进一步地，所述水箱布置于桥面；利用所述压力调节阀，所述水箱与所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器相连，用于养护人员观测液位计水量，进行加水维护操作，实现水自动补偿，多个所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器之间通过通液管连接，所述通液管连接到所述水箱。
进一步地，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器包括一个浮筒、FBG和两个套管，所述套管里夹持着光纤，施加应变和改变温度均可改变光纤光栅栅距Λ及光栅折射率n，使其反射(或透射)波长λ0产生一定的漂移量Δλ。然而，裸光纤光栅的温度和应变灵敏度均很低，故一般不能将其直接用于传感测量之中，而需要对其敏化以提高感测的灵敏度。所述FBG位于所述两个套管之间；和/或，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括液位观察管，可以通过所述液位观察管从外部检查液位。
进一步地，所述光栅加速度传感器与布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器固定在同一底座。利用光栅加速度传感器测量桥梁振动的速度，再对速度进行积分，得到位移。由于速度是由传感器系统自身积分得来，之后对速度积分，都会产生常数项，常数项在二次积分后会增大实验误差。所以利用FBG-DSM静力水准传感器所得竖向位移，通过拟合来消除误差，最终同时完成横桥向和纵桥向三向变形监测。
进一步地，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括容器，所述容器具有固定端，所述两个套管一个连接到所述浮筒，另一个连接到所述固定端。
进一步地，所述容器具有排气孔。可在内部容器和外部环境条件之间建立相同的气压和温度。以静态水准变形监测为校准参考，利用光纤光栅进行动态变形监测。在一个观测点同时实现静态监测和动态监测。
进一步地，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用采用毛细管封装的方法对光纤光栅进行封装，以实现传感器的微型化。所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用3个轴向温度自补偿光栅传感器，包括第一毛细管、第二毛细管和第三毛细管，所述第一毛细管嵌套在第二毛细管中，所述第二毛细管嵌套在第三毛细管中，光栅粘贴在所述第一毛细管的内壁。由于裸光纤直径为0.125mm，涂敷后的光纤直径为0.25mm，故第一毛细管的内径取0.31mm，如果内径过小，光纤很难塞进管内，也很难让黏结剂与管壁充分接触，容易导致黏结不牢，以致传感器提前失效。第二毛细管的壁厚为0.175mm，比第一毛细管要厚，这是为了尽可能增大毛细管2的横截面积，以便对第一毛细管产生更大的挤压热应力，便于实现温度补偿，也能提高应变增敏效果。第一毛细管和第二毛细管之间，以及第二毛细管和第三毛细管之间，均留有一定的空隙，便于黏结胶与管件的充分接触，提高黏结强度。使用的光栅的栅长为8mm，为防止第一毛细管两端的应力集中影响到光栅的应变灵敏度，第一毛细管的长度应当稍微长一点，取第一毛细管的长度为30mm。第二毛细管的长度由理论温度补偿的结构设计公式算出，为了提高光栅的测试精度，同时考虑到毛细管封装粘胶长度的影响，取第二毛细管的长度为60mm。毛细管3的长度要求刚好能封装进管1和管2。如图5所示，在光纤对应位置设置长80mm、宽2.4mm开槽，以便于对光栅的安装和更换及刚度匹配。
进一步地，所述第一毛细管、第二毛细管和第三毛细管采用304不锈钢，并采用特氟龙尾纤保护；考虑到传感器的服役环境，要求封装材料具有较高的强度、抗化学腐蚀能力及抗疲劳能力，三个毛细管均采用的材料均为不锈钢304(0Cr18Ni9)，是工程中广泛使用的奥氏体不锈钢，疲劳强度较好，采用特氟龙尾纤保护，使传感器密封更加坚固。和/或，所述第二毛细管比第一毛细管厚，所述第一毛细管和第二毛细管之间，所述第二毛细管和第三毛细管之间均留有空隙。
进一步地，所述第三毛细管的长度刚好封装进所述第一毛细管和所述第二毛细管，在所述第三毛细管上光纤对应位置设置开槽。
进一步地，采用时分多路复用技术TDM，将包含静态变形监测、三轴动态变形监测的多个信号采用一个信道进行传输。将光纤传感多路复用网络采集子系统与光纤传感信号解调数据传输子系统相连接，光纤传感信号解调数据传输子系统与中央微处理器智能分析控制子系统相连接，中央微处理器智能分析控制子系统与远程监控中心相连接。利用时分多路复用技术TDM，将静态变形监测、三轴动态变形监测等多个信号采用一个信道进行传输，实现静动态变形监测的集约化。
附图说明
图1为FBG-DSM静力水准传感器构造示意图；(a)外部构造图，(b)内部构造图。
图2为FBG-DSM静力水准传感器系统布局示意图。
图3为微型化光栅俯视图。
图4为a-a截面微型化光栅温度自补偿结构示意图。
图5为微型化光栅立面图。
以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1-光纤、2-排气孔、3-圆形截面、4-液位观察管、5-通液管、6-光栅加速度传感器、7-底座、8-容器、9-固定端、10-浮筒、11-水位、12-压力调节阀、13-桥面水箱水位观察器、14-橡胶密封圈、15-水箱、16-光栅、17-第一毛细管、18-第二毛细管、19-第三毛细管、20-开槽。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例附图对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员可以明确的是，在缺少部分或全部这些具体细节的情况下也可以实现本发明。在其他情况下，为了不会使本发明存在不必要的不清楚之处，没有具体描述公知的处理步骤和/或结构。另外，尽管结合特定的实施例对本发明进行描述，但是应该理解的是，该描述并不旨在将发明限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等同方案。
如图1-2所示，一种布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，包括水箱15，压力调节阀12，布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器，光栅加速度传感器6；所述水箱15布置于桥面；利用所述压力调节阀12，所述水箱15与所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器相连，实现水自动补偿，多个所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器之间通过通液管5连接，所述通液管5连接到所述水箱15。
所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器包括一个浮筒10、FBG和两个套管S1，S2，所述套管S1，S2里夹持着光纤1，所述FBG位于所述两个套管S1，S2之间；所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括液位观察管4，可以通过所述液位观察管4从外部检查液位。
所述光栅加速度传感器6与布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器固定在同一底座7。
所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括容器8，所述容器8具有固定端9，所述两个套管S1，S2一个连接到所述浮筒10，另一个连接到所述固定端9。
所述容器8具有排气孔2。
所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用采用毛细管封装的方法对光纤光栅进行封装，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用3个轴向温度自补偿光栅传感器，包括第一毛细管17、第二毛细管18和第三毛细管19，所述第一毛细管17嵌套在第二毛细管18中，所述第二毛细管18嵌套在第三毛细管19中，光栅16粘贴在所述第一毛细管17的内壁。
所述第一毛细管17、第二毛细管18和第三毛细管19采用304不锈钢，并采用特氟龙尾纤保护；和/或，所述第二毛细管比第一毛细管厚，所述第一毛细管和第二毛细管之间，所述第二毛细管和第三毛细管之间均留有空隙。
所述第三毛细管19的长度刚好封装进所述第一毛细管17和所述第二毛细管18，在所述第三毛细管19上光纤对应位置设置开槽20。
采用时分多路复用技术TDM，将包含静态变形监测、三轴动态变形监测的多个信号采用一个信道进行传输。
所述布拉格光纤光栅差异沉降测量(FBG-DSM)静力水准传感器实现温度补偿的基本原理是由于第二毛细管刚度比第一毛细管刚度更高，因此热应力σ2>σ1，第二毛细管挤压第一毛细管,使其承受一定的应变，导致粘贴在第一毛细管上的光栅也发生一定的应变，抵消了光栅波长的温度漂移。传感器的理论温度补偿公式:
Figure BDA0002564150250000051
式中αT为材料的热膨胀系数，kT为光纤光栅的温度敏感度，kε为应变敏感度，L为构件的伸长长度，E为弹性模量，S为材料的截面积。
传感器的理论应变传感公式：
Figure BDA0002564150250000052
式中ε为材料的应变量。
第二毛细管和第一毛细管的横截面积之比为2.97：1。由修正后的光栅应变敏感性公式：
Figure BDA0002564150250000061
可知，传感器的理论应变敏感性为1.89pm/με。将FBG-DSM静力水准传感器的液位变化用光纤光栅的波长变化来表现，通过配套的解调仪来测量波长变化，实现变形静态监测。
所述光栅加速度传感器，用于测量桥梁振动的竖向速度w(τ)，再对其积分得竖向位移z(t)，积分公式为：
Figure BDA0002564150250000062
式中z(0)为初始时刻的位移。
以FBG-DSM静力水准传感器竖向位移
Figure BDA0002564150250000063
为参考，利用最小二乘法建立与竖向位移z(t)关系，可以一次线性拟合，或多次曲线拟合。一次线性拟合公式如下：
Figure BDA0002564150250000064
利用已有数据可对a、b进行求解，并得到通式：
axa+b＝xz
式中xa为加速度积分所得位移值，xz为实际位移值。基于以上方法求得横桥向和纵桥向的位移值，最终实现三向变形监测。
最终将光纤传感多路复用网络采集子系统与光纤传感信号解调数据传输子系统相连接，光纤传感信号解调数据传输子系统与中央微处理器智能分析控制子系统相连接，中央微处理器智能分析控制子系统与远程监控中心相连接。将静态变形监测、三轴动态变形监测等多个信号采用一个信道进行传输，实现静动态变形监测的集约化。
实施例1
一般认为桥墩处相对于跨中下挠可忽略，在其位置安装一套FBG-DSM静力传感器作为基准点。将其它FBG-DSM静力传感器安装于桥梁待测点上，通过水管连接压力调节阀统一连接至桥面水箱。FBG-DSM静力传感器底座上安装光栅加速度传感器，将静态变形、三轴动态变形等多个信号采用时分多路复用技术利用一个光纤信道进行传输。
当跨中下挠时，根据连通管原理，FBG-DSM静力传感器水准管的水位将发生变化，从而导致其中浮筒上下变化，进而导致光栅受力。利用光检测仪器测量FBG的反射或透射波长的变化，即可精确获得挠度及相关变量信息。基于FBG-DSM静力水准传感器所得竖向位移，通过拟合来消除误差，最终同时完成横桥向和纵桥向三向变形监测。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，包括水箱(15)，压力调节阀(12)，布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器，光栅加速度传感器(6)。
2.根据权利要求1所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述水箱(15)布置于桥面；利用所述压力调节阀(12)，所述水箱(15)与所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器相连，实现水自动补偿，多个所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器之间通过通液管(5)连接，所述通液管(5)连接到所述水箱(15)。
3.根据权利要求1或2所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器包括一个浮筒(10)、FBG和两个套管(S1，S2)，所述套管(S1，S2)里夹持着光纤(1)，所述FBG位于所述两个套管(S1，S2)之间；和/或，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括液位观察管(4)，可以通过所述液位观察管(4)从外部检查液位。
4.根据权利要求1所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述光栅加速度传感器(6)与布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器固定在同一底座(7)。
5.根据权利要求3所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器还包括容器(8)，所述容器(8)具有固定端(9)，所述两个套管(S1，S2)一个连接到所述浮筒(10)，另一个连接到所述固定端(9)。
6.根据权利要求5所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述容器(8)具有排气孔(2)。
7.根据权利要求1所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用采用毛细管封装的方法对光纤光栅进行封装，所述布拉格光纤光栅差异沉降测量静力水准传感器采用3个轴向温度自补偿光栅传感器，包括第一毛细管(17)、第二毛细管(18)和第三毛细管(19)，所述第一毛细管(17)嵌套在第二毛细管(18)中，所述第二毛细管(18)嵌套在第三毛细管(19)中，光栅(16)粘贴在所述第一毛细管(17)的内壁。
8.根据权利要求7所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述第一毛细管(17)、第二毛细管(18)和第三毛细管(19)采用304不锈钢，并采用特氟龙尾纤保护；和/或，所述第二毛细管比第一毛细管厚，所述第一毛细管和第二毛细管之间，所述第二毛细管和第三毛细管之间均留有空隙。
9.根据权利要求8所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，所述第三毛细管(19)的长度刚好封装进所述第一毛细管(17)和所述第二毛细管(18)，在所述第三毛细管(19)上光纤对应位置设置开槽(20)。
10.根据权利要求1所述的布拉格光纤光栅静动态自动补偿式结构变形监测系统，其特征在于，采用时分多路复用技术TDM，将包含静态变形监测、三轴动态变形监测的多个信号采用一个信道进行传输。
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