CN113218364A - 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统 - Google Patents

一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113218364A
CN113218364A CN202110475468.6A CN202110475468A CN113218364A CN 113218364 A CN113218364 A CN 113218364A CN 202110475468 A CN202110475468 A CN 202110475468A CN 113218364 A CN113218364 A CN 113218364A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
module
bragg grating
fiber bragg
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110475468.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113218364B (zh
Inventor
童晓玲
杨建宇
叶舒恒
宋志远
李晨
唐浩冕
段宇星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202110475468.6A priority Critical patent/CN113218364B/zh
Publication of CN113218364A publication Critical patent/CN113218364A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113218364B publication Critical patent/CN113218364B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C5/00—Measuring height; Measuring distances transverse to line of sight; Levelling between separated points; Surveyors' levels
    • G01C5/04—Hydrostatic levelling, i.e. by flexibly interconnected liquid containers at separated points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，系统包括设置于房屋建筑框架的光纤光栅传感器模块以及用于进行光信号处理的信号解调与数据分析模块，其中光纤光栅传感器模块包括多个光纤光栅静力水准仪、光纤光栅双向倾角传感器以及多个光纤光栅位移传感器，分别用于检测房屋建筑结构的不均匀沉降、倾斜角度以及结构性裂缝的拓展情况；信号解调与数据分析模块包括用于解调光纤光栅传感器模块输出光信号的光纤光栅解调模块、用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理的数据处理模块、进行无线数据传输的4GDTU数据传输模块以及云服务端和电源模块。本发明可实现对房屋建筑结构数据的实时检测，并针对异常数据进行预警。

Description

一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统
技术领域
本发明涉及房屋建筑安全监测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统。
背景技术
房屋建筑对于人民安居乐业与社会发展具有重大的基础意义，但其结构安全问题十分严峻，随着已建成建筑物不断老化，其承载能力达不到设计之初的水准，当外界荷载激励达到正常使用极限状态时即有可能对结构造成损失累积，房屋结构面临变形超限等风险。另外我国正处于城市化建设过程中，周边基坑开挖可能导致建筑地基土体受力状态发生变化，进而影响原有房屋结构的使用安全。若不为房屋结构设置安全监测系统，在变形严重超限或偶然地震情况下，可能造成重大的人员伤亡与经济损失。因此有必要对房屋建筑的关键物理参量进行实时监测，并以此判断其安全状态，为运维维护人员提供检修依据。
对于最为普遍的钢筋混凝土框架结构而言，其关键部位较小的变形即会对整体受力状态产生较大的影响，因此房屋结构监测对传感器的灵敏度与稳定性提出了较高的要求。目前在结构安全监测技术领域中，针对于房屋建筑多采用水准仪、全站仪以及高速摄像系统等离散性手段对沉降、倾角与裂缝拓展等物理参量进行测量，传统监测手段具有安装困难、长期稳定较差以及无法实现实时监测等缺陷。以电磁类传感器为基础的结构安全监测系统中，其本身易受建筑内部设备的电磁干扰，且由于无法实现分布式串联导致采用多点测量时组网困难，易发生温漂导致其测量精度较低。
光纤光栅是一种以波长调制技术为基础的传感器件，通过检测反射光信号的波长偏移量实现对外界物理量的测量，具有抗电磁干扰、多参量测量、灵敏度高且可实现实时监测等优点，可满足建筑、桥梁、隧道与大坝等工程结构的监测需求。直接采用光纤传感技术对房屋建筑进行监测则避免不了光纤光缆布线以实现光信号的传输，若在成片小区的各栋房屋之间采用光纤光缆连接，该方式的整体美观性较差；若对每栋房屋布设一套解调设备、工控机与交换机等，其成本过高难以大范围推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，以实现对建筑结构的不均匀沉、整体倾斜与结构性裂缝拓展的实时监测。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；
其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架的结构变化并输出光信号，包括：
多个光纤光栅静力水准仪，设置于房屋建筑框架底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中一个光纤光栅静力水准仪作为基准点，其余作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体，外部壳体两侧设置有出纤孔和供液体流通的出水孔，外部壳体内部设置有与外部壳体连接的变形膜片、应变结构；外部壳体内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG，第一光纤光栅FBG固定于所述应变结构；
光纤光栅双向倾角传感器，设置于房屋建筑框架顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架的倾斜角度；所述光纤光栅双向倾角传感器包括基体和第二光纤，基体上下两端连接有质量块外环，所述第二光纤固定于质量块外环，第二光纤设置有第二至第五光纤光栅FBG；
多个光纤光栅位移传感器，设置于房屋建筑框架中已存在的结构性裂缝处，用于监测结构性裂缝宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体设置于所述结构性裂缝两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；
光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；
信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，包括：
光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；
4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；
云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；
电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。
按上述方案，所述应变结构为椭圆结构，所述第一光纤光栅FBG固定于椭圆结构的长轴方向；各光纤光栅静力水准仪的出水孔通过通液管连接，通液管连接有储水容器；
当房屋建筑框架发生不均匀沉降时，光纤光栅静力水准仪中的液面相对椭圆结构的高度发生变化，使椭圆结构受液体压力作用沿短轴方向产生负应变，第一光纤光栅FBG受压缩产生正应变，第一光纤光栅FBG的中心波长发生变化，通过各观测点相对于基准点的中心波长变化得到房屋建筑框架的不均匀沉降情况。
按上述方案，所述外部壳体为316不锈钢材料，椭圆结构为TA2钛合金材料；由于316不锈钢材料的热膨胀系数大于TA2钛合金的热膨胀系数，在升温工况下椭圆结构的长轴方向距离增大，引起第一光纤光栅FBG的中心波长增大，而椭圆结构的短轴方向由于被测的房屋建筑框架发生变形而被压缩，于是通过调整椭圆结构尺寸参数实现光纤光栅静力水准仪中第一光纤光栅FBG的温度自补偿。
按上述方案，所述质量块外环外侧设置有若干导纤槽，所述第二光纤固定于导纤槽内，所述第二至第五光纤光栅FBG设置于上下两侧的导纤槽之间；
当房屋建筑框架发生倾斜时，质量块外环的重力使基体发生形变，从而使第二至第五光纤光栅FBG发生形变，对应中心波长发生变化，通过对向光纤光栅FBG的中心波长差值得到房屋建筑框架的倾斜角度，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，从而实现光纤光栅双向倾角传感器的温度自补偿。
按上述方案，所述基体为TA2钛合金材料，质量块外环为316不锈钢材料。
按上述方案，所述亲磁金属块为铁块，所述弹性磁耦合机构包括连接的拉伸杆和弹簧，拉伸杆一端设置有磁耦合探头；所述柔性光纤光栅感应机构包括悬臂梁和设置在悬臂梁两侧的第六光纤光栅FBG和第七光纤光栅FBG，第六光纤光栅FBG设置于靠近拉伸杆一侧，第七光纤光栅FBG设置于远离拉伸杆一端，悬臂梁通过弹簧与所述拉伸杆连接；
当结构性裂缝拓展时，铁块和磁耦合探头之间距离增大，磁耦合作用力减弱，弹簧收缩且悬臂梁向远离拉伸杆一侧发生形变，进而导致第七光纤光栅FBG被拉伸，第六光纤光栅FBG被压缩，通过计算第七光纤光栅FBG和第六光纤光栅FBG的中心波长差值得到结构性裂缝拓展量，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，进而实现光纤光栅位移传感器的温度自补偿。
按上述方案，所述预设阈值通过Midas/Gen建模计算得到，具体方法如下：
首先建立房屋建筑框架的有限元模型，房屋建筑框架包括梁柱、剪力墙以及结构柱，其中梁柱建模采用梁单元模拟，剪力墙采用板单元模拟，并在模型上设置边界条件，分析房屋建筑在恒荷载、活荷载、风荷载、偶然地震荷载与地基基础变形下房屋建筑框架响应的分布规律，同时针对在实际使用过程中可能出现的状况对以上工况进行组合，再计算房屋建筑框架在各种工况组合下的位移，最后提取各个部件即主梁、结构柱与剪力墙等的最不利响应，以此作为预设阈值。
按上述方案，所述光纤光栅解调模块包括检测通道、光耦合器以及光纤光栅解调板；光纤光栅解调板包括扫描激光器、光电二极管、放大滤波电路、模数转换电路和FPGA电路；
所述光信号通过检测通道进入光耦合器，扫描激光器的输出光通过光耦合器波分复用的布拉格光纤光栅阵列，获得不同波长的光强模拟信号，光强模拟信号通过光电二极管、放大滤波电路以及模数转换电路、以及FPGA电路后解调出波长数据。
按上述方案，所述数据处理模块的信号输入端与光纤光栅解调模块的信号输出端连接，接收并存储光纤光栅解调模块输出的解调信号，经由数据处理模块中的STM32主控芯片将解调信号的波长数据转化为房屋建筑框架的结构变化物理量，并将物理量数据传入4GDTU数据传输模块。
按上述方案，所述4GDTU数据传输模块包括4GDTU模块与无线传输模块，其中4GDTU数据传输模块通过RS232接口与所述STM32芯片连接，并通过RS485接口将物理量数据传输至无线传输模块，同时设定RS485接收缓冲字节数，将物理量数据存入RS485接收缓冲区中；通过STM32芯片控制4GDTU模块将物理量数据通过无线传输模块传输至云服务端；
所述云服务端采用采用C/S和B/S结合的数据结构，利用三维建模将物理量数据通过实时数据曲线、文字以及图表进行显示，并将物理量数据反馈至管理运营人员。
本发明的有益效果是：通过将光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，实现了对不均匀沉降、整体倾斜角度以及结构性裂缝拓展情况的直接测量，并通过信号解调与数据分析模块将光纤光栅传感器模块输出的光信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量，通过4GDTU数据传输模块将物理量数据传输至云服务端，当检测到房屋建筑框架存在结构异常时进行及时预警，保障了人民的生命财产安全。
附图说明
图1是本发明一实施例的监测系统示意图
图2是本发明一实施例的光纤光栅传感器模块的各传感器监测点布置示意图；
图3是本发明一实施例的光纤光栅静力水准仪结构图；
图4是本发明一实施例的光纤光栅双向倾角传感器结构图；
图5是本发明一实施例的光纤光栅位移传感器结构图；
图6是本发明一实施例的信号解调与数据分析模块工作原理图。
图中：201-第一光纤光栅静力水准仪，202-第二光纤光栅静力水准仪，203-第三光纤光栅静力水准仪，204-房屋建筑框架，205-储水容器，206-通液管，210-光纤光栅双向倾角传感器，221-第一光纤光栅位移传感器，222-第二光纤光栅位移传感器，31-出水孔，32-出纤孔，33-外部壳体，34-第一光纤光栅FBG，35-变形膜片，36-椭圆结构，41-基体，42-质量块外环，43-第二光纤光栅FBG，44-第三光纤光栅FBG，45-第四光纤光栅FBG，46-第五光纤光栅FBG，51-磁耦合探头，52-拉伸杆，53-第六光纤光栅FBG，54-第七光纤光栅FBG，55-封装壳体，56-悬臂梁，57-弹簧，58-铁块，59-结构性裂缝。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
参见图1、图2，一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；
其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架204变化并输出光信号，包括：
多个光纤光栅静力水准仪，参见图3，包括第一光纤光栅静力水准仪201、第二光纤光栅静力水准仪202以及第三光纤光栅静力水准仪203，置于房屋建筑框架204底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中第一光纤光栅静力水准仪201作为基准点，第二光纤光栅静力水准仪202以及第三光纤光栅静力水准仪203作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体33，外部壳体33两侧设置有出纤孔32和供液体流通的出水孔31，外部壳体33内部设置有与外部壳体33连接的变形膜片35、应变结构；外部壳体33内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG34，第一光纤光栅FBG34固定于所述应变结构；
光纤光栅双向倾角传感器210，参见图4，设置于房屋建筑框架204顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架204的倾斜角度；光纤光栅双向倾角传感器210包括基体41和第二光纤，基体41上下两端连接有质量块外环42，所述第二光纤固定于质量块外环42，第二光纤设置有第二光纤光栅FBG43、第三光纤光栅FBG44、第四光纤光栅FBG45、第五光纤光栅FBG46；
多个光纤光栅位移传感器，参见图5，包括第一光纤光栅位移传感器221和第二光纤光栅位移传感器222，设置于房屋建筑框架204中已存在的结构性裂缝59处，用于监测结构性裂缝59宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体55、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体55设置于结构性裂缝59两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体55内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体55与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；
光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；
信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，参见图6，包括：
光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；
4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；
云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；
电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。
进一步地，所述应变结构为椭圆结构36，第一光纤光栅FBG34固定于椭圆结构36的长轴方向；各光纤光栅静力水准仪的出水孔31通过通液管206连接，通液管206连接有储水容器205；
当房屋建筑框架204发生不均匀沉降时，光纤光栅静力水准仪中的液面相对椭圆结构36的高度发生变化，使椭圆结构36受液体压力作用沿短轴方向产生负应变，第一光纤光栅FBG34受压缩产生正应变，第一光纤光栅FBG34的中心波长发生变化，通过各观测点相对于基准点的中心波长变化得到房屋建筑框架204的不均匀沉降情况。
进一步地，所述外部壳体33为316不锈钢材料，椭圆结构36为TA2钛合金材料；由于316不锈钢材料的热膨胀系数大于TA2钛合金的热膨胀系数，在升温工况下椭圆结构36的长轴方向距离增大，引起第一光纤光栅FBG34的中心波长增大，而椭圆结构36的短轴方向由于被测的房屋建筑框架204发生变形而被压缩，于是通过调整椭圆结构36尺寸参数实现光纤光栅静力水准仪中第一光纤光栅FBG34的温度自补偿。
进一步地，质量块外环42外侧设置有若干导纤槽，所述第二光纤固定于导纤槽内，所述第二至第五光纤光栅FBG设置于上下两侧的导纤槽之间；
当房屋建筑框架204发生倾斜时，质量块外环42的重力使基体41发生形变，从而使第二至第五光纤光栅FBG发生形变，对应中心波长发生变化，通过对向光纤光栅FBG的中心波长差值得到房屋建筑框架204的倾斜角度，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，从而实现光纤光栅双向倾角传感器210的温度自补偿。
进一步地，所述基体41为TA2钛合金材料，质量块外环42为316不锈钢材料。
进一步地，所述亲磁金属块为铁块58，所述弹性磁耦合机构包括连接的拉伸杆52和弹簧57，拉伸杆52一端设置有磁耦合探头51；所述柔性光纤光栅感应机构包括悬臂梁56和设置在悬臂梁56两侧的第六光纤光栅FBG53和第七光纤光栅FBG54，第六光纤光栅FBG53设置于靠近拉伸杆52一侧，第七光纤光栅FBG54设置于远离拉伸杆52一端，悬臂梁56通过弹簧57与拉伸杆52连接；
当结构性裂缝59拓展时，铁块58和磁耦合探头51之间距离增大，磁耦合作用力减弱，弹簧57收缩且悬臂梁56向远离拉伸杆52一侧发生形变，进而导致第七光纤光栅FBG54被拉伸，第六光纤光栅FBG53被压缩，通过计算第七光纤光栅FBG54和第六光纤光栅FBG53的中心波长差值得到结构性裂缝59拓展量，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，进而实现光纤光栅位移传感器的温度自补偿。
进一步地，所述预设阈值通过Midas/Gen建模计算得到，具体方法如下：
首先建立房屋建筑框架204的有限元模型，房屋建筑框架204包括梁柱、剪力墙以及结构柱，其中梁柱建模采用梁单元模拟，剪力墙采用板单元模拟，并在模型上设置边界条件，分析房屋建筑在恒荷载、活荷载、风荷载、偶然地震荷载与地基基础变形下房屋建筑框架响应的分布规律，同时针对在实际使用过程中可能出现的状况对以上工况进行组合，再计算房屋建筑框架204在各种工况组合下的位移，最后提取各个部件即主梁、结构柱与剪力墙等的最不利响应，以此作为预设阈值。
进一步地，所述光纤光栅解调模块包括检测通道、光耦合器以及光纤光栅解调板；光纤光栅解调板包括扫描激光器、光电二极管、放大滤波电路、模数转换电路和FPGA电路；
所述光信号通过检测通道进入光耦合器，扫描激光器的输出光通过光耦合器波分复用的布拉格光纤光栅阵列，获得不同波长的光强模拟信号，光强模拟信号通过光电二极管、放大滤波电路以及模数转换电路、以及FPGA电路后解调出波长数据；本实施例中扫描激光器的具体扫描范围为80nm，采样频率设为1Hz。
进一步地，所述数据处理模块的信号输入端与光纤光栅解调模块的信号输出端连接，接收并存储光纤光栅解调模块输出的解调信号，经由数据处理模块中的STM32主控芯片将解调信号的波长数据转化为房屋建筑框架的结构变化物理量，并将物理量数据传入4GDTU数据传输模块。
进一步地，所述4GDTU数据传输模块包括4GDTU模块与无线传输模块，其中4GDTU数据传输模块通过RS232接口与所述STM32芯片连接，并通过RS485接口将物理量数据传输至无线传输模块，同时设定RS485接收缓冲字节数，将物理量数据存入RS485接收缓冲区中；通过STM32芯片控制4GDTU模块将物理量数据通过无线传输模块传输至云服务端；
所述云服务端采用采用C/S和B/S结合的数据结构，利用三维建模将物理量数据通过实时数据曲线、文字以及图表进行显示，并将物理量数据反馈至管理运营人员。
本实施例通过数据库管理软件SQL/Sever建立监测数据库，监测数据库主要包含业务信息表和信息管理表；业务信息表包括数据表、房屋表与光纤传感器表，完成监测数据信息和房屋建筑及配套传感器的一一对应，信息管理表管理与存储用户的相关信息、权限以及角色分配。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；
其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架的结构变化并输出光信号，包括：
多个光纤光栅静力水准仪，设置于房屋建筑框架底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中一个光纤光栅静力水准仪作为基准点，其余作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体，外部壳体两侧设置有出纤孔和供液体流通的出水孔，外部壳体内部设置有与外部壳体连接的变形膜片、应变结构；外部壳体内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG，第一光纤光栅FBG固定于所述应变结构；
光纤光栅双向倾角传感器，设置于房屋建筑框架顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架的倾斜角度；所述光纤光栅双向倾角传感器包括基体和第二光纤，基体上下两端连接有质量块外环，所述第二光纤固定于质量块外环，第二光纤设置有第二至第五光纤光栅FBG；
多个光纤光栅位移传感器，设置于房屋建筑框架中已存在的结构性裂缝处，用于监测结构性裂缝宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体设置于所述结构性裂缝两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；
光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；
信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，包括：
光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；
4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；
云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；
电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述应变结构为椭圆结构，所述第一光纤光栅FBG固定于椭圆结构的长轴方向；各光纤光栅静力水准仪的出水孔通过通液管连接，通液管连接有储水容器；
当房屋建筑框架发生不均匀沉降时，光纤光栅静力水准仪中的液面相对椭圆结构的高度发生变化，使椭圆结构受液体压力作用沿短轴方向产生负应变，第一光纤光栅FBG受压缩产生正应变，第一光纤光栅FBG的中心波长发生变化，通过各观测点相对于基准点的中心波长变化得到房屋建筑框架的不均匀沉降情况。
3.根据权利要求2所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述外部壳体为316不锈钢材料，椭圆结构为TA2钛合金材料；由于316不锈钢材料的热膨胀系数大于TA2钛合金的热膨胀系数，在升温工况下椭圆结构的长轴方向距离增大，引起第一光纤光栅FBG的中心波长增大，而椭圆结构的短轴方向由于被测的房屋建筑框架发生变形而被压缩，于是通过调整椭圆结构尺寸参数实现光纤光栅静力水准仪中第一光纤光栅FBG的温度自补偿。
4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述质量块外环外侧设置有若干导纤槽，所述第二光纤固定于导纤槽内，所述第二至第五光纤光栅FBG设置于上下两侧的导纤槽之间；
当房屋建筑框架发生倾斜时，质量块外环的重力使基体发生形变，从而使第二至第五光纤光栅FBG发生形变，对应中心波长发生变化，通过对向光纤光栅FBG的中心波长差值得到房屋建筑框架的倾斜角度，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，从而实现光纤光栅双向倾角传感器的温度自补偿。
5.根据权利要求4所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述基体为TA2钛合金材料，质量块外环为316不锈钢材料。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述亲磁金属块为铁块，所述弹性磁耦合机构包括连接的拉伸杆和弹簧，拉伸杆一端设置有磁耦合探头；所述柔性光纤光栅感应机构包括悬臂梁和设置在悬臂梁两侧的第六光纤光栅FBG和第七光纤光栅FBG，第六光纤光栅FBG设置于靠近拉伸杆一侧，第七光纤光栅FBG设置于远离拉伸杆一端，悬臂梁通过弹簧与所述拉伸杆连接；
当结构性裂缝拓展时，铁块和磁耦合探头之间距离增大，磁耦合作用力减弱，弹簧收缩且悬臂梁向远离拉伸杆一侧发生形变，进而导致第七光纤光栅FBG被拉伸，第六光纤光栅FBG被压缩，通过计算第七光纤光栅FBG和第六光纤光栅FBG的中心波长差值得到结构性裂缝拓展量，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，进而实现光纤光栅位移传感器的温度自补偿。
7.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述预设阈值通过Midas/Gen建模计算得到，具体方法如下：
首先建立房屋建筑框架的有限元模型，房屋建筑框架包括梁柱、剪力墙以及结构柱，其中梁柱建模采用梁单元模拟，剪力墙采用板单元模拟，并在模型上设置边界条件，分析房屋建筑在恒荷载、活荷载、风荷载、偶然地震荷载与地基基础变形下房屋建筑框架响应的分布规律，同时针对在实际使用过程中可能出现的状况对以上工况进行组合，再计算房屋建筑框架在各种工况组合下的位移，最后提取各个部件即主梁、结构柱与剪力墙等的最不利响应，以此作为预设阈值。
8.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述光纤光栅解调模块包括检测通道、光耦合器以及光纤光栅解调板；光纤光栅解调板包括扫描激光器、光电二极管、放大滤波电路、模数转换电路和FPGA电路；
所述光信号通过检测通道进入光耦合器，扫描激光器的输出光通过光耦合器波分复用的布拉格光纤光栅阵列，获得不同波长的光强模拟信号，光强模拟信号通过光电二极管、放大滤波电路以及模数转换电路、以及FPGA电路后解调出波长数据。
9.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述数据处理模块的信号输入端与光纤光栅解调模块的信号输出端连接，接收并存储光纤光栅解调模块输出的解调信号，经由数据处理模块中的STM32主控芯片将解调信号的波长数据转化为房屋建筑框架的结构变化物理量，并将物理量数据传入4GDTU数据传输模块。
10.根据权利要求9所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述4GDTU数据传输模块包括4GDTU模块与无线传输模块，其中4GDTU数据传输模块通过RS232接口与所述STM32芯片连接，并通过RS485接口将物理量数据传输至无线传输模块，同时设定RS485接收缓冲字节数，将物理量数据存入RS485接收缓冲区中；通过STM32芯片控制4GDTU模块将物理量数据通过无线传输模块传输至云服务端；
所述云服务端采用采用C/S和B/S结合的数据结构，利用三维建模将物理量数据通过实时数据曲线、文字以及图表进行显示，并将物理量数据反馈至管理运营人员。
CN202110475468.6A 2021-04-29 2021-04-29 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统 Active CN113218364B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110475468.6A CN113218364B (zh) 2021-04-29 2021-04-29 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110475468.6A CN113218364B (zh) 2021-04-29 2021-04-29 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113218364A true CN113218364A (zh) 2021-08-06
CN113218364B CN113218364B (zh) 2022-03-01

Family

ID=77090400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110475468.6A Active CN113218364B (zh) 2021-04-29 2021-04-29 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113218364B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115505415A (zh) * 2022-08-25 2022-12-23 江苏博颂能源科技有限公司 一种催化裂解中试装置用多向闭合检测单元
CN116542111A (zh) * 2023-05-23 2023-08-04 中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 一种装配式房屋建筑连接节点结构健康监测方法及其系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103542871A (zh) * 2013-09-22 2014-01-29 山东建筑大学 基于碳纤维材料的光纤传感器
CN105698754A (zh) * 2016-03-14 2016-06-22 上海电力学院 基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器
CN106871865A (zh) * 2017-03-10 2017-06-20 上海电力学院 基于分布式光纤光栅传感器网络的变电站沉降监测系统
CN108931262A (zh) * 2018-06-01 2018-12-04 北京华工信息技术有限公司 一种用于监测建筑结构安全的光纤传感系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103542871A (zh) * 2013-09-22 2014-01-29 山东建筑大学 基于碳纤维材料的光纤传感器
CN105698754A (zh) * 2016-03-14 2016-06-22 上海电力学院 基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器
CN106871865A (zh) * 2017-03-10 2017-06-20 上海电力学院 基于分布式光纤光栅传感器网络的变电站沉降监测系统
CN108931262A (zh) * 2018-06-01 2018-12-04 北京华工信息技术有限公司 一种用于监测建筑结构安全的光纤传感系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨建宇 等: "一种温度自补偿的高灵敏度ＦＢＧ双向倾角传", 《光电子· 激光》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115505415A (zh) * 2022-08-25 2022-12-23 江苏博颂能源科技有限公司 一种催化裂解中试装置用多向闭合检测单元
CN115505415B (zh) * 2022-08-25 2023-09-22 江苏博颂能源科技有限公司 一种催化裂解中试装置用多向闭合检测单元
CN116542111A (zh) * 2023-05-23 2023-08-04 中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 一种装配式房屋建筑连接节点结构健康监测方法及其系统
CN116542111B (zh) * 2023-05-23 2024-05-03 中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 一种装配式房屋建筑连接节点结构健康监测方法及其系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113218364B (zh) 2022-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113218364B (zh) 一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统
CN108005725A (zh) 一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统
CN208225263U (zh) 一种基于物联网大数据的边坡安全监测采集系统
CN110987057A (zh) 液压爬模用云端自动化监测系统
CN201753600U (zh) 一种矿山竖井变形光纤监测装置
CN104950921B (zh) 一种建筑物调平安全监测系统
CN113776593A (zh) 基于物联网+与bim三维建模的深大基坑智能监测系统
CN102735459A (zh) 温度变化索力监测的问题索支座广义位移递进式识别方法
CN103437383A (zh) 管桩击入土层的fbg-botda联合传感器检测方法
CN107830890A (zh) 一种基于光纤传感器的隧道安全监测系统
CN205506038U (zh) 基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器
CN113802565A (zh) 一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统及方法
CN213179966U (zh) 一种边坡安全监测系统
CN203177924U (zh) 一种基于三光纤光栅结构的水位监测装置
CN201561828U (zh) 光纤光栅地质灾害监测仪
CN104330350A (zh) 基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统
CN116756504A (zh) 一种地下厂房环境监测模型及趋势预警算法
CN104457690A (zh) 用于监测建筑物沉降的传感棒及监测方法
CN110763276A (zh) 一种烟塔合一钢结构间冷塔健康监测系统
CN102926808B (zh) 基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法
CN204188502U (zh) 基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统
CN114777848A (zh) 一种边坡开挖作业安全状态监测预警方法
CN113447067A (zh) 钢混结合段的施工监控系统监测方法
CN102435178A (zh) 用于监测建筑物沉降的光纤光栅传感棒及监测方法
Wu et al. Life cycle monitoring of offshore steel pipe piles via UWFBG Wireless sensor network

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant