CN113959354A - 一种基于光纤传感的结构变形测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于光纤传感的结构变形测量装置及方法。本申请将结构变形作为测量指标，采用光纤传感技术，结合所提出的弦测装置及测量方法，通过实时采集光纤应变数据，处理得到按弦长计算的结构变形数值和位置，并可根据管理阈值进行预警和报警，实现结构变形在线监测。在本申请中所采用的传感光纤，兼具传感、信息传输功能，且光纤本身无需供电，尤其适应于长距离条状分布的铁路、轨道交通、矿山巷道、地下管廊和大坝等领域使用。

Description

一种基于光纤传感的结构变形测量装置及方法

【技术领域】

本申请涉及结构变形监测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的结构变形测量装置及方法。

【背景技术】

结构变形监测是结构健康监测的重要内容。目前结构变形监测中常用的技术手段包括全站仪、位移计、GNSS等监测方式。对于大型结构物或铁路线路、矿山巷道等条状设施，上述传统测量方式，需要安装大量的传感器，并相应配套电力电缆和信号电缆，设备众多、造价不菲、维护工作量大。

针对此类应用，国内外学者研究开发了光纤传感测量技术，将特制的光纤安装在结构物上使光纤与结构物共同变形，通过测量光纤的应变来反应结构物的应变，并进而推算结构的变形。此技术中，光纤既是传感元件又是信息传输通道，而且光纤本身无需供电，因此安装简洁、配套工程量显著减少。另外，由于传感光纤自身价格较低，在长距离、大范围的应用中，其经济性优势也很显著。

在采用光纤进行结构变形监测中，主要是将应变换算为挠度来反应结构的变形。在铁路或大坝等领域中，由于其对结构高平顺性的要求，其允许的横垂向变形很小(10米范围内，监测精度优于3mm)，此时结构或光纤的应变值也非常小，接近于10με，此时已经难以识别变形信号。

针对此类工况，本发明专利提出了新的检测装置和方法，在结构发生同样变形情况下可以显著提升光纤的应变信号；同时，还可以实现对温度进行补偿，从而准确识别结构变形，及时报警结构可能发生的病害。

【发明内容】

本申请提供一种基于光纤传感的结构变形测量装置及方法，该方案可应用于结构变形测量中，通过将结构变形作为测量指标，采用光纤传感技术，结合特殊设计的机械结构，实时采集传感光纤的应变数据，将采集的数据进行分析处理，并解算得到结构变形的数值和位置，实现结构变形在线监测。

本申请所采用的技术方案如下：

一种基于光纤传感的结构变形测量装置，该结构变形测量装置包括传感光纤、弦测装置、光纤解调仪、处理计算机；

所述传感光纤被划分为多个测量段和过渡段，测量段光纤为预拉紧状态，过渡段光纤为松弛状态。

所述弦测装置在被测结构物上连续安装，所述弦测装置内部连续布设传感光纤，传感光纤作为传感元件通过引出连接光缆接入光纤解调仪，并将采集到的测量信息输出至所述处理计算机；

所述处理计算机从所述光纤解调仪接收测量信息，并对所述测量信息进行解算处理，将解算处理结果通过网络上传；

进一步的，所述弦测装置在结构物上连续安装，具体包括：

连续并排安装两组所述弦测装置，包括第一组弦测装置和第二组弦测装置，所述第一组弦测装置与所述第二组弦测装置并排且中点错位设置。

进一步的，所述弦测装置包括刚性横梁、光纤锚固件、连接线、连接件、转向装置、紧固件。

进一步的，传感光纤设置在所述刚性横梁的内部并沿纵向连续布设；选取一定长度的传感光纤作为光纤位移测量段，其一端通过所述光纤锚固件在靠近所述刚性横梁端部位置与所述刚性横梁相固定，另一端通过连接件将其与连接线固定，连接线经转向装置从所述刚性横梁的中部位置引出，并与紧固件组装锚固于被测结构物上。

进一步的，所述光纤锚固件、光纤位移测量段、连接件、连接线、转向装置、紧固件在所述刚性横梁中对称安装布设；所述紧固件分布在所述刚性横梁的两侧，并锚固在被测结构物上；连接件之间的光纤可以为松弛状态，形成过渡段。

一种结构变形测量方法，应用于上述测量装置中，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：

步骤1、测量装置进行光纤应变测量；

步骤2、通过结构变形参数，解算得到结构变形的弦测值及其位置；其中，所述结构变形参数包括应变与变形的计算公式、光纤测量段所在位置；

步骤3、根据测量需求，计算其他弦长下的弦测值。

进一步的，步骤1具体包括：

步骤101、测量装置采集并储存传感光纤各段初始状态信息；

步骤102、测量装置连续检测传感光纤的实时信号；

步骤103、由于过渡段光纤信号反映环境温度的变化，因此采用下述公式计算，得到消除温度影响后光纤信号变化值Δs：

Δs＝Δs₂-Δs₁

式中，Δs₁为过渡段光纤信号、Δs₂为测量段光纤信号；

步骤104、根据光纤信号Δs与应变Δε之间的数学关系，解算得到测量段光纤应变值Δε。

进一步的，步骤2具体包括：

步骤201、弦测装置的长度为反映结构变形的弦长；

步骤202、根据如下所示的光纤应变与变形的计算公式，由所述光纤应变值Δε计算得到弦长范围内的结构变形值x，也就是弦测值；

x＝k·Δε

其中，k为传感光纤应变变化量与光纤拉伸变形的比例系数；

步骤203、根据弦测装置的位置确定结构变形值x的所在位置。

根据如下“以小推大”公式，可计算得到需要弦长下的弦测值：

其中，n为大、小弦长之比，x为小波长弦测值，X为大波长弦测值。

通过本申请实施例，可以获得如下技术效果：

1)本申请通过特殊设计的光纤布设方式以及机械装置，可以将结构变形导致的光纤应变予以显著放大，从而有效识别出变形导致的光纤信号；

2)本申请通过特殊设计的光纤布设方式和方法，可以将温度影响从光纤应变中消除，从而准确识别出结构变形，从而达到测量目的；

3)本申请作为一种在线监测手段，，针对突发性结构变形，可以识别变形的数值和位置，及时报警或预警，从而有效保障安全；

4)本申请充分发挥光纤传感自身无需供电、兼具传感和传输功能，抗电磁干扰等特点，对于长距离结构变形监测具有显著的技术经济性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为结构变形测量装置的总体布置示意图；

图2为弦测值的测量原理示意图；

图3为弦测装置的组成结构示意图；

图4为结构变形测量方法的流程示意图；

图5为结构变形测量的原理示意图；

附图说明：

1传感光纤、2弦测装置、3光纤解调仪、4处理计算机、5第一组弦测装置、6第二组弦测装置、刚性横梁301、光纤位移测量段302、光纤过渡段303、光纤锚固件304、连接线305、连接件306、转向装置307、紧固件308

【具体实施方式】

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在对本发明的技术方案进行详细描述之前，首先对本发明中使用的术语约定进行如下介绍：

弦测值，即为一定长度的弦线测量出的曲线正矢值，弦测值的结果可以表征结构物在横向或垂向的变形值。弦线则为“弦测法”检测手段的测量基准，其长度可根据具体情况进行制定。铁路线路平顺性检测中，常见为10m弦及其整数倍的弦长。弦测值的测量原理示意图如图2所示，以铁路线路平顺性为例，当线路出现不平顺(类似曲线ABC)时，以一定长度弦线作为基准，其正矢值可作为平顺性评判指标，该正矢值即为弦测值。如10m弦测值即为10m弦正矢值。

下述以无砟轨道道床板变形监测为例，进行具体实施方式的阐述。

图1为结构变形测量装置的总体布置示意图。该结构变形测量装置包括传感光纤1、弦测装置2、光纤解调仪3、处理计算机4；

所述弦测装置在道床板上连续安装，所述弦测装置内部连续布设传感光纤，传感光纤作为传感元件接入光纤解调仪3，并将采集到的测量信息输出至所述处理计算机4；

所述处理计算机4从所述光纤解调仪3接收光纤测量信息，并对所述测量信息进行解算处理，将解算处理结果予以展示或上传。

所述弦测装置在道床板边缘处连续安装，具体包括：

在道床板上连续并排安装两组所述弦测装置，包括第一组弦测装置和第二组弦测装置，所述第一组弦测装置与所述第二组弦测装置并排且中点错位设置。

上述并排且中点错位设置的具体形式如图1中所示，两组弦测装置(第一组弦测装置5和第二组弦测装置6)并排设置，中点处错位设置，即第一组弦测装置5的中点与第二组弦测装置6的起始端对齐，按照这样的顺序依次分别将第一组弦测装置5和第二组弦测装置6连续设置，作为测量基准。

图3为测量装置的局部组成示意图。所述测量装置包括传感光纤和弦测装置，其中所述传感光纤包括多个光纤位移测量段302、光纤过渡段303，所述光纤过渡段位于光纤位移测量段之间，用于连接相邻两个光纤位移测量段；

所述弦测装置包括刚性横梁301、光纤锚固件304、连接线305、连接件306、转向装置307、紧固件308；

所述刚性横梁301沿纵向两端部固定于道床板表面，并且所述刚性横梁的梁体不与道床板接触；

所述传感光纤设置在所述刚性横梁的内部并沿纵向连续布设，靠近所述刚性横梁端部位置并通过所述光纤锚固件304将传感光纤与所述刚性横梁相固定，经过所述光纤锚固件，选取一定长度的传感光纤作为光纤位移测量段，在光纤位移测量段的末端通过连接件将其与连接线固定，连接线经转向装置从所述刚性横梁引出，并与紧固件组装锚固于道床板上；

所述光纤锚固件、光纤位移测量段、连接线、连接件、转向装置、紧固件在所述刚性横梁中对称安装布设。

如图3所示，所述选取一定长度的传感光纤作为光纤位移测量段，具体包括：

刚性横梁的始端(左端)引出的连接线305从“正方向”横向穿出，连接正方向的第一光纤位移测量段302-1对应测量正方向的道床板变形；刚性横梁1末端(右端)引出的连接线305从“负方向”横向穿出，连接负方向的第二光纤位移测量段302-2对应测量负方向道床板变形。传感光纤除第一光纤位移测量段和第二光纤位移测量段之外的部分为光纤过渡段，光纤过渡段的两端通过对称的两个连接件分别与两个光纤位移测量段相连接，所述光纤过渡段位于刚性横梁中间；

多个弦测装置沿纵向逐个连接，弦测装置中的传感光纤连续布设进入下一弦测装置。

图4为结构变形测量方法的流程示意图。本申请参照线路平顺性检测，以输出弦测值的方式得出道床板变形测量值结果，弦测值即为一定长度的弦线测量出的曲线正矢值，弦测值的结果可以表征线路的平顺性。当道床板发生横向变位时，本申请测量装置中的刚性横梁梁体不与道床板接触，可视为测量基准的弦线。以道床板发生正方向变形和基于布里渊频移原理的传感光纤测量为例，阐述测量装置工作原理：

步骤1、测量装置进行光纤应变测量；

步骤101、测量装置采集传感光纤初始状态信息并进行存储；

在测量装置工作前，通过光纤解调仪及处理计算机采集并存储传感光纤中各光纤测量段的初始状态信息；

步骤102、测量装置连续检测传感光纤布里渊频移信号Δs₂；

当道床板发生正方向变位时，固定于道床板上的紧固件308跟随道床板移动，使连接线305被拉伸，并通过转向装置与连接件带动光纤测量段302-1移动，在光纤锚固件的作用下，光纤测量段302-1产生纵向拉伸；光纤解调仪及处理计算机的连续检测，可以得到光纤测量段302-1纵向拉伸导致的光纤布里渊频移Δs₂₊。

步骤103、根据获取的所述测量段光纤的布里渊频移Δs₂，以及相邻过渡段光纤的布里渊频率Δs₁，计算消除温度影响后纯粹由结构变形引起的传感光纤的布里渊频移变化量Δs，具体解算公式如下：

Δs＝Δs₂-Δs₁

式中，Δs₁为过渡段光纤信号由于为松弛状态，其信号只反映了温度影响。

步骤104、根据获取的所述布里渊频移，以及传感光纤应变变化量与应变引起的光纤布里渊频移之间的线性关系，处理计算机解算当前传感光纤的应变变化量，具体解算公式如下：

其中，C_ε为所用光纤的应变影响系数，其根据传感光纤自身性质来决定；

传感光纤应变变化量与应变引起的光纤布里渊频移具有线性关系，因此光纤位移测量段因道床板变形引起的当前应变变化量为：

步骤2、通过结构变形参数，解算得到结构变形的弦测值及其位置；其中，所述结构变形参数包括应变与变形的计算公式、光纤测量段所在位置；

根据理论关系或试验建立光纤测量段应变变化量与该段拉伸位移x的数学计算模型，所采用的数学计算模型如下：

x＝k·Δε

其中，k为传感光纤应变变化量与光纤拉伸位移的线性关系系数；

以上述正方向变位为例，处理计算机根据计算模型得到光纤位移测量段拉伸位移，该段拉伸位移相当于道床板发生变位时连接线305拉出长度，即为道床板相对于刚性横梁1中点横向变位值。其中，光纤位移测量段应变变化量与该段拉伸位移x₊的的数学计算公式为：

x₊＝k·Δε₊

弦测装置5所布设的位置，可认为是结构变形x₊发生的位置，弦测装置的长度即为弦测的弦长。x₊为弦长范围内的弦测值。

步骤3、根据测量需求，计算其他弦长下的弦测值。

根据“以小推大”公式来计算所需弦长弦测值，所采用的计算公式如下：

以小推大公式：

其中n为大、小弦长之比；x为小波长弦测值，X为大波长弦测值。

假设刚性横梁1长度为5m，作为基准弦线，上述位移值x₊等同于道床板5m弦正矢值，即5m弦测值。两排错位布置的测量装置在中点处进行搭接，所输出的5m弦测值可根据现场需求，通过以小推大公式计算出更长波长弦测值甚至更长弦长的弦测值。

图5为道床板变形测量的原理示意图，比如推算10m弦测值，当道床板发生如图曲线ABC的正方向横向变位时，两排测量装置计算出5m弦测值分别为x₁₊、x₃₊、x₂₊，代入以小推大公式，则B点处10m弦测值为：

X₂₊＝x₁₊+2x₂₊+x₃₊。

当道床板横向变位方向相反时，工作原理基本相同，此时负方向光纤位移测量段302-2被拉伸发挥位移测量作用，通过解算该段应变变化，推算拉伸位移，最终以相同方式输出所需弦测值，并识别变位方向。

将光纤布设位置与线路里程提前进行标定，则可以根据光纤位置反推道床板变形所在位置。

该测量装置和方法不仅限于示例中所述无砟轨道道床板，也可应用于铁路、轨道交通、矿山巷道、地下管廊以及大坝等结构中。针对不同结构及现场需求可进行装置改良设计和安装位置调整，以适应不同工况的变形测量。

在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载并被执行时，可以执行上文描述的方法的一个或多个步骤。

本申请中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的结构变形测量装置，其特征在于，该装置包括传感光纤、弦测装置、光纤解调仪和处理计算机；

所述弦测装置在被测结构物上连续安装，所述弦测装置内部连续布设传感光纤，传感光纤作为传感元件接入光纤解调仪，并将采集到的测量信息输出至所述处理计算机；

所述处理计算机从所述光纤解调仪接收测量信息，并对所述测量信息进行解算处理，并将解算处理结果展示给用户或通过网络上传。

2.根据权利要求1所述的结构变形测量装置，其特征在于，所述传感光纤被划分为多个测量段和过渡段，测量段光纤为预拉紧状态，过渡段光纤为松弛状态。

3.根据权利要求1所述的弦测装置，其特征在于，所述弦测装置在被测结构物上连续安装，具体为：

在被测结构物上并排安装两组所述弦测装置，包括第一组弦测装置和第二组弦测装置；所述第一组弦测装置与所述第二组弦测装置中点交错设置，即第二组弦测装置的起点与第一组弦测装置的中点对齐，第二组弦测装置的中点与第一组弦测装置的终点对齐。

4.根据权利要求2所述的结构变形测量装置，其特征在于，所述弦测装置包括刚性横梁、光纤锚固件、连接件、连接线、转向装置、紧固件；所述刚性横梁一端锚固在被测结构物上，另一端以横向限位方式与被测结构物相连，即此端可以相对被测结构物转动和纵向滑动；所述连接线的弹性模量显著大于传感光缆。

5.根据权利要求1、2或4之一所述的结构变形测量装置，其特征在于，传感光纤设置在所述刚性横梁的内部并沿纵向连续布设；选取一定长度的传感光纤作为光纤位移测量段，其一端通过所述光纤锚固件在靠近所述刚性横梁端部位置与所述刚性横梁相固定，另一端通过连接件将其与连接线固定，连接线经转向装置从所述刚性横梁的中部位置引出，并与紧固件组装锚固于被测结构物上。

6.根据权利要求2-4之一所述的结构变形测量装置，其特征在于，所述光纤锚固件、光纤位移测量段、连接件、连接线、转向装置、紧固件在所述刚性横梁中对称安装布设；所述紧固件分布在所述刚性横梁的两侧，并锚固在被测结构物上；连接件之间的光纤可以为松弛状态，形成过渡段。

7.一种结构变形测量方法，应用于如权利要求1至6之一所述的测量装置中，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：

步骤1、测量装置进行光纤应变测量；

步骤2、通过结构变形参数，解算得到结构变形的弦测值及其位置；其中，所述结构变形参数包括应变与变形的计算公式、光纤测量段所在位置；

步骤3、根据测量需求，计算其他弦长下的弦测值。

8.根据权利要求7所述的结构变形测量方法，其特征在于，步骤1具体包括：

步骤101、测量装置采集并储存传感光纤各段初始状态信息；

步骤102、测量装置连续检测传感光纤的实时信号；

步骤103、由于过渡段光纤信号反映环境温度的变化，因此采用下述公式计算，得到消除温度影响后光纤信号变化值Δs：

Δs＝Δs₂-Δs₁

式中，Δs₁为过渡段光纤信号、Δs₂为测量段光纤信号；

步骤104、根据光纤信号Δs与应变Δε之间的数学关系，解算得到测量段光纤应变值Δε。

9.根据权利要求7或8所述的结构变形测量方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤201、弦测装置的长度为反映结构变形的弦长；

步骤202、根据如下所示的光纤应变与变形的计算公式，由所述光纤应变值Δε计算得到弦长范围内的结构变形值x，也就是弦测值；

x＝k·Δε

其中，k为传感光纤应变变化量与光纤拉伸变形的比例系数；

步骤203、根据弦测装置的位置确定结构变形值x的所在位置。

10.根据权利要求8或9所述的结构变形测量方法，其特征在于，根据如下“以小推大”公式，可计算得到需要弦长下的弦测值：

其中，n为大、小弦长之比，x为小波长弦测值，X为大波长弦测值。

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