CN112050748A - 一种环形结构收敛监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形结构收敛监测装置及监测方法，所述装置包括：纺锤形换能结构和传感单元；其中，所述纺锤形换能结构由环形结构的一部分和弧形结构构成，用于将所述环形结构的收敛量转换为所述纺锤形换能结构的变形量；所述传感单元包括应变传感光栅、温度补偿光栅、基片；所述应变传感光栅和所述温度补偿光栅串联且均封装在所述基片上，并通过传输光纤传输应变传感信息和温度补偿信息；所述基片固定在所述纺锤形换能结构两侧内壁上。通过将纺锤形换能结构连续布设在环形结构内壁，并对传感单元传输的应变信息进行分析，确定收敛点位置及收敛量大小，从而实现对环形结构的矢量收敛监测，具有灵敏度高、布设简单、可操作性强和应用广泛的优点。

Description

一种环形结构收敛监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种环形结构收敛监测装置及监测方法。
背景技术
在海洋探测设备，地下工程实体，地上建筑等各种领域的周边环境复杂，结构的实际受力状态较难掌握，长时间处于这种环境下容易处出现结构变形收敛的情况，存在着很大的安全隐患。而结构的维护工作量大时间紧，因此对重大工程结构的健康状态进行实时在线监测，及时发现结构的变形收敛，并评估其安全性，预测结构的性能变化、剩余寿命和安全性并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有重要的意义，因此需要及时监测掌握工程结构的应力应变情况，并进行信息化处理。
目前常用的结构变形的监测仪器有水准仪、全站仪、位移计等，这些设备的安装作业效率低、覆盖范围有限、信息不够丰富，测量精度不高，且受隧道施工影响较大，涉及的器材较多，数据的存储、传输、处理分析的工作量大，不适合广泛的工程应用；另一种采用光纤传感对结构的健康状态进行监测，光纤传感器通常于结构的表面或内部进行布设，对于在结构内部布设，施工复杂，且难以更换失效的传感器。对于在表面布设，若在结构顶部布设，安全系数较低；若在结构腰部布设，这种测量需要将收敛量转化为曲率的变化，测量精度较低，对于结构的微小变化难以及时感知，对于需要精密测量的场合，无法很好满足工程需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种环形结构收敛监测装置及监测方法，其目的在于解决现有环形结构收敛监测装置安全系数较低、测量精度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种环形结构收敛监测装置，包括：
纺锤形换能结构和传感单元；其中，
所述纺锤形换能结构由环形结构的一部分和弧形结构构成，所述弧形结构两端固定在所述环形结构内壁上；所述纺锤形换能结构用于将所述环形结构的收敛量转换为所述纺锤形换能结构的变形量；
所述传感单元包括应变传感光栅、温度补偿光栅、基片；其中，所述应变传感光栅和所述温度补偿光栅串联且均封装在所述基片上，并通过传输光纤传输应变传感信息和温度补偿信息；所述基片两端分别固定在所述纺锤形换能结构两侧内壁上。
进一步地，所述基片所用材料的杨氏模量比所述弧形结构所用材料的杨氏模量小3个数量级以上。
进一步地，所述应变传感光栅所在位置对应的基片宽度小于所述温度补偿光栅所在位置对应的基片宽度。
进一步地，所述弧形结构两端通过螺钉固定在所述环形结构内壁上，所述基片两端分别通过螺钉固定在所述纺锤形换能结构两侧内壁上。
进一步地，所述应变传感光栅和所述温度补偿光栅通过胶粘或焊接或嵌入的方式封装在所述基片上。
为实现上述目的，本发明另一方面提供了一种环形结构收敛监测方法，包括：将所述纺锤形换能结构连续布设在所述环形结构内壁；利用光栅解调系统对所述传感单元传输的应变传感信息和温度补偿信息进行处理；根据监测到的应变值确定所述环形结构的收敛点位置。
进一步地，根据监测到的最小应变值所对应的两个纺锤形换能结构的位置，选取所述两个纺锤形换能结构的中间位置，作为所述环形结构的收敛点位置。
进一步地，所述两个纺锤形换能结构的位置相差90°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过将弧形结构固定在环形结构内壁上形成纺锤形换能结构，又将传感单元和传输光纤安装在纺锤形换能结构之间，使得环形结构收敛时纺锤形换能结构变形，从而使传感单元中的光栅产生应变，利用光栅解调系统对传感单元传递的信息进行数据处理显示，即可确定所测环形结构的收敛量，实现了环形结构收敛的高灵敏实时在线监测，避免了在精密测量场合，因传统监测方法的精度不高而错过了最佳处理时间。
(2)本发明中基片所用材料的杨氏模量远小于弧形结构所用材料的杨氏模量，从而保证了应变能更好的传递给应变传感光栅。
(3)本发明通过合理设计基片的结构尺寸，使得应变传感光栅所在位置对应的基片宽度小于温度补偿光栅所在位置对应的基片宽度，从而进一步实现了应变的增敏测量。
(4)本发明通过将纺锤形换能结构连续布设在环形结构内壁，根据系统终端监测到的最小应变值所对应的两个探测点的位置，确定收敛点位置，并通过仿真得出的经验公式确定收敛量的大小，从而实现了对环形结构的矢量收敛监测。
附图说明
图1为本发明提供的一种环形结构收敛监测装置示意图；
图2为本发明实施例提供的环形结构任意位置收敛时位置θ与探测点1和探测点2中传感单元应变量关系示意图；
图3为本发明实施例提供的施加在环形结构任意收敛量d与探测点1和探测点2中传感单元应变量关系示意图；
图4为本发明实施例提供的环形结构半径与探测点1中传感单元应变量关系示意图；
图5为本发明实施例提供的环形结构半径为3m时的结构纵向收敛量与探测点1中传感单元应变量关系示意图；
图6-1和图6-2为本发明提供的传感单元基片式封装示意图；
图6-3和图6-4为本发明提供的优选的传感单元基片式封装示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-环形结构，2-纺锤形换能结构，3-弧形结构，4-传感单元，5-应变传感光栅，6-温度补偿光栅，7-传输光纤，8-基片，9-胶或焊料，10-聚合物材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明提供的一种环形结构收敛监测装置示意图，包括：纺锤形换能结构2和传感单元4；其中，
所述纺锤形换能结构2由环形结构1的一部分和弧形结构3构成，所述弧形结构3两端固定在所述环形结构1内壁上；所述纺锤形换能结构2用于将所述环形结构1的收敛量转换为所述纺锤形换能结构2的变形量；
所述传感单元4包括应变传感光栅5、温度补偿光栅6、基片8；其中，所述应变传感光栅5和所述温度补偿光栅6串联且均封装在所述基片8上，并通过传输光纤7传输应变传感信息和温度补偿信息；所述基片8两端分别固定在所述纺锤形换能结构2两侧内壁上。
具体的，传感单元4安装在纺锤形换能结构2之间，环形结构1收敛时会导致纺锤形换能结构2变形，从而使传感单元4中的光栅产生应变，利用光栅解调系统对传感单元4传递的信息进行数据处理显示，即可确定所测结构的收敛量。
优选地，弧形结构3采用螺钉固定在环形结构1上；基片8采用螺钉固定于纺锤形换能结构2之间；传感单元4中包括一个应变传感光栅5和一个温度补偿光栅6，将其串联并采用一根传输光纤7传输应变传感信息和温度补偿信息。其中，传感单元4可实现单点测量，也可采用多个光栅串联的方式进行组网，实现准分布式测量，来监测结构整体的收敛。
优选地，基片所用材料的杨氏模量远小于弧形结构所用材料的杨氏模量，以保证应变能更好的传递给应变传感光栅。
本发明另一方面提供了一种环形结构收敛监测方法，包括：将所述纺锤形换能结构连续布设在所述环形结构内壁；利用光栅解调系统对所述传感单元传输的应变传感信息和温度补偿信息进行处理；根据监测到的应变值确定所述环形结构的收敛点位置。
优选地，根据监测到的最小应变值所对应的两个纺锤形换能结构的位置，选取所述两个纺锤形换能结构的中间位置，作为所述环形结构的收敛点位置。
优选地，所述两个纺锤形换能结构的位置相差90°。
为进一步验证本发明的实用性，本实施例中，将纺锤形换能结构于环形结构上、下、左、右分别布设，采用ANSYS软件对结构收敛模型进行仿真，可分别得到它们间的关系曲线图。由于此结构的收敛是对称的，因此建模时只在1/4范围内施加位移约束即可，本仿真选取0-90°内的不同位置施加收敛。
图2为本发明提供的环形结构任意位置收敛时位置θ与探测点1传感单元伸长量关系示意图，其中，θ为收敛位置所在的直径与环形结构的纵向直径的夹角；图3为本发明提供的于环形结构施加的任意收敛量d与探测点1和探测点2传感单元应变量关系示意图；经过对结构收敛模型进行仿真并多项式曲线拟合后，可得到位于探测点1和探测点2纺锤形换能结构的变形量ΔL与环形结构纵向收敛量Δh的关系，进一步地，根据应变量ε的表达式及传感单元中传输光的波长改变量ΔλB与其应变量ε的关系，我们可以将任意角度θ和任意收敛量d与传输光的波长改变量ΔλB的关系表示为：
探测点1：
Figure BDA0002656290850000061
探测点2：
Figure BDA0002656290850000062
从探测点1和探测点2的传感单元中传输光的波长改变量ΔλB与任意角度θ的关系式可知，其均在45°位置附近获得最小值。同时，如图2所示，描述的是在0-90度范围(由于整个环形结构是对称的，因此只需在90度范围内施加收敛便可代表在整个环形结构施加收敛)内施加收敛时探测点1(位于90度位置)与探测点2(0度所在位置)的应变，从图2可以发现，二者所监测到的应变值均在45度左右取到最小值，因此若某一位置发生收敛，则距离它45度左右的两个传感单元会监测到应变最小值，即监测到最小应变值所对应的两个监测点的位置相差90度。
据此，于环形结构内连续布设此换能结构，便可根据系统终端监测到的最小应变值所对应的两个探测点的位置，确定收敛点位置，并通过仿真得出的经验公式可确定收敛量的大小，从而实现了对环形结构的矢量收敛监测。
图4为本发明提供的环形结构半径与探测点1传感单元应变量关系示意图；收敛量为0.5mm时，任意环形结构半径R与探测点1传感单元传输光的波长改变量ΔλB的关系表示为以下公式：
ΔλB＝[2362.69-(2.51E-12)R^4+(2.67E-8)R^3-0.00011R^2+0.19R](1-pe)λB
为进一步证实本发明监测的高灵敏，本实施例建立环形结构纵向收敛量Δh与纺锤形换能结构的形变量ΔL之间的关系，采用MATLAB数学建模的方法对结构纵向收敛模型进行仿真，得到两者间的关系曲线图，仿真中环形结构半径为3m，处于纺锤形换能结构的那部分弧度为0.3688；弧形结构的曲率半径为3.1m，弧度为0.3566。
图5所示为本发明提供的结构纵向收敛量与传感单元伸长量关系示意图。当环形结构半径为3m，且纵向收敛时，经过对结构收敛模型进行仿真并一次多项式曲线拟合后，可得到探测点1纺锤形换能结构的变形量ΔL与环形结构纵向收敛量Δh的关系，进一步地，根据应变量ε的表达式及传感单元中传输光的波长改变量ΔλB与其应变量ε的关系，我们可以将环形结构纵向收敛量Δh与传输光的波长改变量ΔλB的关系表示为以下公式：
Figure BDA0002656290850000071
式中，L为传感单元的初始长度；λB为反射光的中心波长；pe为弹光系数。
由仿真结果知当结构纵向收敛2*10-4mm时，在传感单元上将会产生约1με，对于一般的布拉格光栅，1με将导致其中心波长漂移1pm，这对于普通的解调系统可实现对该变化量的检测，且相比于传统的监测方案，本发明纺锤形换能结构最小可监测纵向收敛量提高了500倍，因此，此方法可以实现超高灵敏的结构变形监测。
图6-1和图6-2为本发明提供的传感单元基片式封装示意图；将传感单元封装(胶粘、焊接、嵌入等)在基片上，并在上部镀有一层聚合物材料10，保护封装层和金属封装基片，最后通过螺钉将传感单元安装在纺锤形换能结构轴线中间。
具体的，基片8所用材料的杨氏模量应远小于弧形结构3所用材料的杨氏模量，以保证应变能更好的传递给应变传感光栅5。传感单元的放置影响应变传感和温度补偿的效果，其中应变传感光栅应处于自然伸直状态，以保证其能灵敏的感知微小应变。为使温度补偿光栅6总是处在不受力状态，注意光纤总是松弛的，确保结构收敛时应变无法传递到该光纤上。
优选地，如图6-3和6-4所示，本发明通过合理设计基片的结构尺寸，使得应变传感光栅5所在位置对应的基片宽度小于温度补偿光栅6所在位置对应的基片宽度。
根据公式
Figure BDA0002656290850000081
其中，lA、lB分别为应变传感光栅5所在位置对应的基片长度和温度补偿光栅6所在位置对应的基片长度，dA、dB分别为应变传感光栅5所在位置对应的基片宽度和温度补偿光栅6所在位置对应的基片宽度。
当dA<dB时，K<1，进一步实现了应变的增敏测量。
总体来说，本发明提供了一种超高灵敏的矢量环形结构收敛监测装置及方法，其中采用了一种纺锤形换能结构，将传感单元和传输光纤安装在纺锤形换能结构之间；环形结构收敛时会导致换能结构变形，从而使传感单元中的光栅产生应变，利用光栅解调系统对传感单元传递的信息进行数据处理显示，即可确定所测结构的收敛量。传感单元采用基片式封装，可以有效地将纺锤形换能结构的变形转化为光栅的应变。相比于传统的监测方案，本发明纺锤形换能结构最小可监测纵向收敛量提高了500倍，实现了增敏测量。将此纺锤形换能结构连续布设在环形结构内壁，根据系统终端监测到的最小应变值所对应的两个探测点的位置，确定收敛点位置，并通过仿真得出的经验公式可确定收敛量的大小，从而实现了对环形结构的矢量收敛监测。本发明可适用于飞机、圆形结构建筑、盾构隧道及潜水艇等各种位于天上、地面、地下及海域环境中的环形结构变形监测，具有灵敏度高、布设简单、可操作性强和应用广泛的特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环形结构收敛监测装置，其特征在于，包括：纺锤形换能结构(2)和传感单元(4)；其中，
所述纺锤形换能结构(2)由环形结构(1)的一部分和弧形结构(3)构成，所述弧形结构(3)两端固定在所述环形结构(1)内壁上；所述纺锤形换能结构(2)用于将所述环形结构(1)的收敛量转换为所述纺锤形换能结构(2)的变形量；
所述传感单元(4)包括应变传感光栅(5)、温度补偿光栅(6)、基片(8)；其中，所述应变传感光栅(5)和所述温度补偿光栅(6)串联且均封装在所述基片(8)上，并通过传输光纤(7)传输应变传感信息和温度补偿信息；所述基片(8)两端分别固定在所述纺锤形换能结构(2)两侧内壁上。
2.根据权利要求1所述的环形结构收敛监测装置，其特征在于，所述基片(8)所用材料的杨氏模量比所述弧形结构(3)所用材料的杨氏模量小3个数量级以上。
3.根据权利要求1所述的环形结构收敛监测装置，其特征在于，所述应变传感光栅(5)所在位置对应的基片宽度小于所述温度补偿光栅(6)所在位置对应的基片宽度。
4.根据权利要求1所述的环形结构收敛监测装置，其特征在于，所述弧形结构(3)两端通过螺钉固定在所述环形结构(1)内壁上，所述基片(8)两端分别通过螺钉固定在所述纺锤形换能结构(2)两侧内壁上。
5.根据权利要求1所述的环形结构收敛监测装置，其特征在于，所述应变传感光栅(5)和所述温度补偿光栅(6)通过胶粘或焊接或嵌入的方式封装在所述基片(8)上。
6.一种环形结构收敛监测方法，采用权利要求1所述的环形结构收敛监测装置，其特征在于，
将所述纺锤形换能结构(2)连续布设在所述环形结构(1)内壁；
利用光栅解调系统对所述传感单元(4)传输的应变传感信息和温度补偿信息进行处理；
根据监测到的应变值确定所述环形结构(1)的收敛点位置。
7.根据权利要求6所述的环形结构收敛监测方法，其特征在于，所述根据监测到的应变值确定所述环形结构(1)的收敛点位置，包括：
根据监测到的最小应变值所对应的两个纺锤形换能结构的位置，选取所述两个纺锤形换能结构的中间位置，作为所述环形结构(1)的收敛点位置。
8.根据权利要求7所述的环形结构收敛监测方法，其特征在于，
所述两个纺锤形换能结构的位置相差90°。
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