CN112461148B - 用于结构应变监测的分布式协同传感装置及方法 - Google Patents

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Abstract

用于结构应变监测的分布式协同传感装置及方法，扫频信号微波源产生信号进入功率分配器后分两路，一路进入接收机，另一路通过微波耦合器进入分布式碳纤维封装光纤传感器，分布式碳纤维封装光纤传感器产生的反射信号经微波耦合器后进入接收机；扫频激光产生的扫频信号经偏振控制器及光纤耦合器后分两路，一路经退偏器进入光电探测器，另一路经光纤环形器后进入分布式碳纤维封装光纤传感器，分布式碳纤维封装光纤传感器产生的反射光返回经光纤环形器和退偏器进入光电探测器，接收机和光电探测器的输出端接多通道数据采集卡，多通道数据采集卡接信号处理及显示装置。本发明具有温度应变解耦效果好、分布式应变监测精度高、可长期在线监测的优点。

Description

用于结构应变监测的分布式协同传感装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到分布式协同传感装置及结构应变监测方法。
背景技术
结构应变是衡量结构健康状态的重要参数之一，也是结构监测的重要目标。结构应变监测技术中，光纤应变传感技术由于其可分布式、抗电磁串扰、可长期监测等一系列优势而受到关注。但对于结构监测来说尤其是各类建筑工程结构，光纤应变传感长期精度往往难以保证，其主要原因之一在于光纤应变传感器的温度应变交叉敏感特性，即温度对应变测量串扰的影响。基于光纤分布式应变传感技术虽然有很多温度补偿技术理论方法，但现有实用化的光纤传感系统大多采用增加温度补偿光纤传感器以消除温度串扰影响，在温度补偿过程中默认温度场在较小范围内均匀无梯度，且忽略传感器安装于结构上后其温度灵敏度参数会发生变化，因而无法解决两大关键难题，即如何修正由于待测结构存在温度梯度场所引起应变测量偏差，以及如何修正由于传感器安装于待测结构后温度灵敏度变化所引起测量偏差。由于温度梯度场及传感器温度灵敏度变化的随机性和不可预测性，导致对温度所引起的光纤传感系统应变测量偏差难以修正，使得现有技术系统很难实现对结构应变的高精度分布式长期监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种监测精度高、稳定性和耐久性好、可长期在线监测的用于结构应变监测的分布式协同传感装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于结构应变监测的分布式协同传感装置，扫频驱动控制器的输出端接扫频信号微波源和窄带扫频激光光源，扫频信号微波源的输出端接功率分配器，功率分配器的输出端接接收机和微波耦合器，微波耦合器和分布式碳纤维封装光纤传感器相连，微波耦合器的输出端接接收机，窄带扫频激光光源的输出端接偏振控制器，偏振控制器的输出端接光纤耦合器，光纤耦合器的输出端接光纤环形器，分布式碳纤维封装光纤传感器与光纤环形器相连，光纤环形器的输出端接退偏器，退偏器的输出端接光电探测器，接收机和光电探测器的输出端接多通道数据采集卡，多通道数据采集卡的输出端接信号处理及显示装置。
作为一种优选的技术方案，所述的分布式碳纤维封装光纤传感器为碳纤维束套管内固定设置有光纤，碳纤维束套管外设置有防水涂层，碳纤维束套管的一端设置有分线端子，分线端子包括电缆连接端子和光纤连接端子，电缆连接端一端与碳纤维束套管相连、另一端与微波耦合器相连，光纤连接端子一端与光纤相连、另一端与光纤环形器相连。
作为一种优选的技术方案，所述的信号处理及显示装置包括光电信号相关性分析单元、温度应变解耦分析单元、显示器；
所述的光电信号相关性分析单元，用于对分布式碳纤维封装光纤传感器的相干电信号和相干光信号的自相关性及相干电信号和相干光信号之间的互相关性进行分析；
所述的温度应变解耦分析单元，用于对分布式碳纤维封装光纤传感器的温度和应变联立解析，得到分布式温度与应变信息；
所述的显示器，用于实时显示温度与应变数据。
一种基于分布式传感的结构应变监测方法，包括如下步骤：
S1.将分布式碳纤维封装光纤传感器贴在待测结构壁上；
S2.扫频信号微波源产生扫频信号进入功率分配器后分为两路，一路进入接收机作为参考信号，另一路通过微波耦合器进入分布式碳纤维封装光纤传感器，分布式碳纤维封装光纤传感器的碳纤维束套管产生的反射信号沿碳纤维原路返回并经微波耦合器后也进入接收机与参考信号汇合形成相干电信号；
S3.窄带扫频激光光源所产生的扫频信号经偏振控制器以及光纤耦合器后分为两路，一路光经退偏器进入光电探测器，另一路光经光纤环形器后进入分布式碳纤维封装光纤传感器，分布式碳纤维封装光纤传感器的光纤产生的反射光信号沿光纤原路返回，经光纤环形器和退偏器进入光电探测器，在光电探测器中两路光信号形成相干光信号；
S4.待测结构产生应变，分布式碳纤维封装光纤传感器的光纤和碳纤维束套管产生同步应变，使相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化，由于温度升高，待测结构的热膨胀也使分布式碳纤维封装光纤传感器的光纤和碳纤维束套管产生同步应变，因此，相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化均包括温度应变的影响；
S5. 多通道数据采集卡分别采集接收机的电信号和光电探测器的光信号，光电信号相关性分析单元通过自相关函数分析相干电信号和相干光信号的自相关性，建立温度应变与相似程度变化之间对应关系，通过互相关函数分析相干电信号和相干光信号间的互相关性变化，对待测结构热膨胀系数变化所引起温度灵敏度偏差进行修正，经温度应变解耦分析单元联立解析，得到分布式温度与应变信息，即得到结构应变与温度数据。
本发明的有益效果如下：
本发明用于结构应变分布式长期实时监测，利用碳纤维束套管对光纤的封装，形成光电一体化分布式应变传感与探测解调系统，利用碳纤维电阻率以及光纤均对温度应变敏感的特点，碳纤维束套管在对光纤形成高耐久封装保护的同时，能够和光纤精确测量同一点温度应变，排除温度梯度场干扰，结合分布式信号同步扫频探测采集及光、电信号的自相关以及光电信号间互相关性解析技术，利用光纤传感和碳纤维传感信号间温度灵敏度具有一定互相关性，实现温度应变解耦，修正对光纤应变传感器由于温度灵敏度变化所引起测量偏差，提升光纤传感器应变分布式长期测量精度。本发明具有测量距离长、温度应变解耦效果好、分布式应变监测精度高、稳定性与耐久性好、可靠性高、可长期在线监测的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中分布式碳纤维封装光纤传感器4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的一种用于结构应变监测的分布式协同传感装置由扫频驱动控制器1、扫频信号微波源2、功率分配器3、分布式碳纤维封装光纤传感器4、接收机5、微波耦合器6、多通道数据采集卡7、信号处理及显示装置8、退偏器9、光电探测器10、光纤环形器11、光纤耦合器12、偏振控制器13、窄带扫频激光光源14连接构成。
扫频驱动控制器1的输出端接扫频信号微波源2和窄带扫频激光光源14，扫频驱动控制器1用于控制扫频信号微波源2和窄带扫频激光光源14同步发出电信号和光信号，扫频信号微波源2的输出端接功率分配器3，功率分配器将输入的电信号分为能量相等的两路，分别输出到接收机5和微波耦合器6，微波耦合器6和分布式碳纤维封装光纤传感器4相连，微波耦合器6的输出端接接收机5，接收机5用于将两路电信号汇合成相干电信号，窄带扫频激光光源14的输出端接偏振控制器13，偏振控制器13的输出端接光纤耦合器12，光纤耦合器12的输出端接光纤环形器11，光纤环形器11与分布式碳纤维封装光纤传感器4相连，光纤环形器11的输出端接退偏器9，光纤环形器11将光信号分为两路，一路直接输出到退偏器，另一路输出到分布式碳纤维封装光纤传感器4，经分布式碳纤维封装光纤传感器4反射回光纤环形器11，退偏器9的输出端接光电探测器10，光电探测器10将两路光信号形成相干光信号，接收机5的输出端和光电探测器10的输出端接多通道数据采集卡7，多通道数据采集卡7的输出端接信号处理及显示装置8。
在图2中，本实施例的分布式碳纤维封装光纤传感器4由碳纤维束套管4-2、光纤4-3、防水涂层4-4、分线端子4-1连接构成，碳纤维束套管4-2内通过结构胶锚固有光纤4-3，碳纤维束套管4-2外涂有防水涂层4-4，碳纤维束套管4-2的一端设置有分线端子4-1，分线端子4-1包括电缆连接端子和光纤连接端子，电缆连接端一端与碳纤维束套管4-2相连、另一端与微波耦合器6相连，光纤连接端子一端与光纤4-3相连、另一端与光纤环形器11相连。
本实施例的信号处理及显示装置8包括光电信号相关性分析单元8-1、温度应变解耦分析单元8-2、显示器8-3，光电信号相关性分析单元8-1，用于对输入的相干电信号和相干光信号的自相关性及相干电信号和相干光信号之间的互相关性进行分析，温度应变解耦分析单元8-2，用于对分布式碳纤维封装光纤传感器4的温度和应变联立解析，得到分布式温度与应变信息，显示器8-3，用于实时显示温度与应变数据。
本实施例的基于分布式传感的结构应变监测方法，包括如下步骤：
S1.将分布式碳纤维封装光纤传感器4贴在待测结构壁上；
S2.扫频信号微波源2产生扫频信号进入功率分配器3后分为两路，一路进入接收机5作为参考信号，另一路通过微波耦合器6进入分布式碳纤维封装光纤传感器4，分布式碳纤维封装光纤传感器4的碳纤维束套管4-2产生的反射信号沿碳纤维原路返回并经微波耦合器6后也进入接收机5；
S3. 窄带扫频激光光源14所产生的扫频信号经偏振控制器13以及光纤耦合器12后分为两路，一路光经退偏器9进入光电探测器10，另一路光经光纤环形器11后进入分布式碳纤维封装光纤传感器4，分布式碳纤维封装光纤传感器4的光纤4-3产生的反射光信号沿光纤4-3原路返回，经光纤环形器11和退偏器9进入光电探测器10，在光电探测器10中两路光信号形成相干光信号；
S4.待测结构产生应变，分布式碳纤维封装光纤传感器4的光纤4-3和碳纤维束套管4-2产生同步应变，使相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化，由于温度升高，待测结构的热膨胀也使分布式碳纤维封装光纤传感器4的光纤4-3和碳纤维束套管4-2产生同步应变，因此，相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化均包括温度应变的影响；
S5. 多通道数据采集卡7分别采集接收机5的电信号和光电探测器10的光信号，光电信号相关性分析单元8-1通过自相关函数分析相干电信号和相干光信号的自相关性，建立温度应变与相似程度变化之间对应关系，由于分布式碳纤维封装光纤传感器4的光纤4-3和碳纤维束套管4-2的热膨胀系数均受到待测结构约束，与待测结构热膨胀系数基本相同，使得相干光信号和相干电信号之间由于温度产生的变化具有一定互相关性，通过互相关函数分析相干光信号和相干电信号之间互相关程度变化即可获得待测结构温度变化，温度应变解耦分析单元8-2进一步对相干光信号和相干电信号解析，将已测得由温度变化引起的相干光信号和相干电信号的自相关程度变化消除，从而得到结构应变所引起的相干光信号和相干电信号自相关程度变化，实现对温度应变解耦分析，即得到待测结构应变与温度数据。

Claims (4)

1.一种用于结构应变监测的分布式协同传感装置，其特征在于：扫频驱动控制器（1）的输出端接扫频信号微波源（2）和窄带扫频激光光源（14），扫频信号微波源（2）的输出端接功率分配器（3），功率分配器（3）的输出端接接收机（5）和微波耦合器（6），微波耦合器（6）和分布式碳纤维封装光纤传感器（4）相连，微波耦合器（6）的输出端接接收机（5），窄带扫频激光光源（14）的输出端接偏振控制器（13），偏振控制器（13）的输出端接光纤耦合器（12），光纤耦合器（12）的输出端接光纤环形器（11），分布式碳纤维封装光纤传感器（4）与光纤环形器（11）相连，光纤环形器（11）的输出端接退偏器（9），退偏器（9）的输出端接光电探测器（10），接收机（5）和光电探测器（10）的输出端接多通道数据采集卡（7），多通道数据采集卡（7）的输出端接信号处理及显示装置（8）。
2.根据权利要求1所述的用于结构应变监测的分布式协同传感装置，其特征在于：所述的分布式碳纤维封装光纤传感器（4）为碳纤维束套管（4-2）内固定设置有光纤（4-3），碳纤维束套管（4-2）外设置有防水涂层（4-4），碳纤维束套管（4-2）的一端设置有分线端子（4-1），分线端子（4-1）包括电缆连接端子和光纤连接端子，电缆连接端一端与碳纤维束套管（4-2）相连、另一端与微波耦合器（6）相连，光纤连接端子一端与光纤（4-3）相连、另一端与光纤环形器（11）相连。
3.根据权利要求2所述的用于结构应变监测的分布式协同传感装置，其特征在于：所述信号处理及显示装置（8）包括光电信号相关性分析单元（8-1）、温度应变解耦分析单元（8-2）、显示器（8-3）；
所述光电信号相关性分析单元（8-1），用于对分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的相干电信号和相干光信号的自相关性及相干电信号和相干光信号之间的互相关性进行分析；
所述温度应变解耦分析单元（8-2），用于对分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的温度和应变联立解析，得到分布式温度与应变信息；
所述显示器（8-3），用于实时显示温度与应变数据。
4.根据权利要求3所述用于结构应变监测的分布式协同传感装置的结构应变监测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.将分布式碳纤维封装光纤传感器（4）贴在待测结构壁上；
S2.扫频信号微波源（2）产生扫频信号进入功率分配器（3）后分为两路，一路进入接收机（5）作为参考信号，另一路通过微波耦合器（6）进入分布式碳纤维封装光纤传感器（4），分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的碳纤维束套管（4-2）产生的反射信号沿碳纤维原路返回并经微波耦合器（6）后也进入接收机（5）与参考信号汇合形成相干电信号；
S3. 窄带扫频激光光源（14）所产生的扫频信号经偏振控制器（13）以及光纤耦合器（12）后分为两路，一路光经退偏器（9）进入光电探测器（10），另一路光经光纤环形器（11）后进入分布式碳纤维封装光纤传感器（4），分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的光纤产生的反射光信号沿光纤原路返回，经光纤环形器（11）和退偏器（9）进入光电探测器（10），在光电探测器（10）中两路光信号形成相干光信号；
S4.待测结构产生应变，分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的光纤和碳纤维束套管（4-2）产生同步应变，使相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化，由于温度升高，待测结构的热膨胀也使分布式碳纤维封装光纤传感器（4）的光纤和碳纤维束套管（4-2）产生同步应变，因此，相干电信号和相干光信号的自相关程度发生变化均包括温度应变的影响；
S5. 多通道数据采集卡（7）分别采集接收机（5）的电信号和光电探测器（10）的光信号，光电信号相关性分析单元（8-1）通过自相关函数分析相干电信号和相干光信号的自相关性，建立温度应变与相似程度变化之间对应关系，通过互相关函数分析相干电信号和相干光信号间的互相关性变化，对待测结构热膨胀系数变化所引起温度灵敏度偏差进行修正，经温度应变解耦分析单元（8-2）联立解析，得到分布式温度与应变信息，即得到结构应变与温度数据。
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