CN114965509A - 基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统及方法，该系统包括光纤、光纤光栅解调仪、控制主机和报警器；其中：光纤于终点处连接设置于天然冰场外的光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪与控制主机连接，控制主机与报警器连接，光纤刻写有8个光纤光栅。通过获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝，并发布预警：在控制主机中设置安全阈值，将光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与控制主机中设置的安全阈值进行比较，当光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动报警器进行预警该系统包括。与现有技术相比，本发明1)既节省了人力成本，又实现了多点、大面积、实时监测，可以及时高效地发现安全隐患。

Description

基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统及方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别是涉及一种利用所植入的光纤光栅传感器实现的天然冰场冰层实时监测系统及方法。

背景技术

冰场即滑冰场，由干冰制造或自然结冰而成，在平地或水面结成平整冰面，使用刀片状的溜冰鞋来嬉戏滑行的场所。对于天然冰场，由于冰层处于湖泊、河流之上，冰层的安全可靠至关重要，一旦出现冰面破损、断裂，后果不堪设想。此外，由于缺乏有效的预警机制，冰场每天还需要投入大量的人力、物力进行维护和巡视。以山西迎泽公园为例，冰场工作人员每天都会向冰面泼水，从而加固冰层。此外，山西迎泽公园冰场常驻五位安保人员，从而在危险发生时能够立即救人。北京颐和园昆明湖冰场在每天关闭后，还要对70万平方米的“大冰面”进行全覆盖的安全巡视，如冰面出现冰缝，则立即进行修补。

光纤光栅传感系统以光为载体，光纤为媒介，使用光纤光栅进行传感测量。光纤光栅具有无色透明、体积小、质量轻、复用能力强等特点。当光纤光栅受到应变作用时，其反射回的布拉格波长会产生偏移，通过监测布拉格波长偏移量，即可得到光纤光栅所承受应变值，从而实现应变传感。相比传统电学传感系统，该技术具有多点测量、高精度和高分辨率的特点，在极寒严酷环境、大范围多点测量场合下具有明显优势。

凭借着体积小、质量轻的优势，光纤光栅可植入材料内部，利用其对应变的敏感性，形成智能材料。2003年，姜德生等人将光纤光栅植入混凝土，验证了基于光纤光栅机敏的混凝土在结构状态监测和损伤诊断方面的可行性。2005年，李向华等人将光纤光栅植入三维编织复合材料，实现了材料内应变和安全性的精确测量。在中国专利CN103968980A《新型的光纤触觉阵列传感器及制作方法》公开了一种将光纤光栅植入硅胶，进而形成光纤触觉阵列传感器的方法。除此之外，光纤光栅还被植入飞机蒙皮、铝合金、PMMA塑料等多种材料。

从国内外发表文献来看，目前尚无将光纤光栅植入冰层，进而对冰场冰层进行应变测量和安全状态监测的报道。目前常用的冰场安全监测措施是通过人工对冰层厚度进行测量。以北京颐和园昆明湖为例，在冰场开放期间，工作人员需要在每天早中晚3个时段对昆明湖6个测冰点测量冰层厚度。冰层厚度测量方法又可分为三类。第一类方法是向冰层发射电磁波或声波，电磁波和声波在到达冰、水界面时反射，通过接收器计算反射回来的时间，进而换算出冰层厚度。第二类方法与第一类方法类似，通过发射超声波或激光，超声波和激光在冰、水界面反射，利用接收器的接收时间换算出冰层厚度。然而，由于冰的性质受外部温度的影响，因此影响了接收器的接收时间，产生较大测量误差和不确定性；第三类方法是直接测量法，具体方法为在冰场一角，用钢钎在冰面上砸出一个小洞，将铁钩伸进去，勾住冰层底部，用手指捏住铁钩。取出铁钩后，再用卷尺直接量铁钩在冰面以下的距离。这种方法比较可靠，但测量过程本身需要对冰层进行破坏，而且无法实现多点、多时观测。人工测量厚度的方法易受测量环境影响，误差较大。

中国专利202011292912.2《一种适用于冰场的实时监控系统专利》中，公开了一种冰场实时监控系统，该系统由基础感知单元、网络通信单元、联合管控单元和功能应用单元构成，可以实时了解设备的运行状态，并对冰场内的异常状况进行定位排查。该专利使用安装于冰层外部的温度模块和摄像头了解冰场内状态，而本专利使用植入冰层内部的光纤光栅对冰层自身应变进行测量，通过所设计的光纤植入方法，在不破坏冰场冰层的情况下，实现了冰层安全状态的实时监测和预警。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，并提高天然冰场冰层的安全监测能力，本发明提出了基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统及方法，通过在冰层中植入光纤光栅，实现了冰场冰层的全天候实时监测与预警，并对存在的安全隐患进行预警。

本发明的一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统，该系统包括天然冰场、原始冰层、光纤、光纤光栅解调仪、控制主机和报警器；其中：所述光纤紧贴冰面铺设于原始冰层上且于光纤铺设的终点处延伸至天然冰场，所述光纤于终点处连接所述光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪与所述控制主机连接，所述控制主机与所述报警器连接，所述光纤刻写有8个光纤光栅；

所述控制主机用于通过从光纤光栅解调仪获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝，并发布预警：在所述控制主机中设置安全阈值，将所述光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与所述控制主机中设置的安全阈值进行比较，当所述光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动所述报警器进行预警。

本发明的一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统的安装方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、在原始冰层上确定监测点的位置和数量，并对监测点进行标记；

步骤2、根据标记的监测点，确定光纤铺设路径，其中处于同一直线上的监测点单独使用一条光纤，该直线位置即对应的光纤铺设路径；

步骤3、在每条光纤铺设路径上，将监测点到光纤光栅解调仪的方向规定为正向方向，与正向方向相反的方向规定为反向方向；在光纤铺设路径正向方向的第一个监测点处，沿反向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的起点；

步骤4、在每条光纤铺设路径的最后一个监测点处，沿正向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的终点；

步骤5、测量并记录同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离；

步骤6、根据步骤1确定的监测点数量和步骤5确定的同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离，在光纤上刻写光纤光栅，同一条光纤上相邻光纤光栅之间的距离就是步骤5中相邻监测点之间的距离；

步骤7、从光纤铺设路径的起点处开始，将步骤6中刻写有光纤光栅的光纤沿光纤铺设路径铺设到原始冰层，其中光纤上的光纤光栅位置和冰面上的监测点位置一一对应；

步骤8、在光纤铺设路径的起点处，将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径起点处的冻结和固定；

步骤9、在光纤铺设路径的终点处，对光纤进行预拉伸，使整条光纤处于预紧状态并紧贴原始冰层，之后将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径终点处的冻结和固定；

步骤10、重复步骤7至步骤9，完成所有光纤的铺设，之后将终点处的所有光纤连接到设置于冰场外的光纤光栅解调仪；

步骤11、向冰场注水，注水深度为50mm至100mm；自然冷冻48小时以上，注入的水即形成覆盖冰层，此时，光纤和冰块都处于覆盖冰层之下；至此，完成了光纤在天然冰场冰层内的植入。

本发明的一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、将光纤光栅解调仪与控制主机连接，控制主机与报警器连接；

步骤2、通过获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝：

冰面上存在裂缝，此时冰面上应力集中在裂缝处，裂缝处周围应变高达200με～300με；

随着远离裂缝处，应变逐渐减小，在没有裂缝影响的冰面，应变值小于10με；

步骤3、在控制主机中设置安全阈值，将光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与控制主机中设置的安全阈值进行比较，若当光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动报警器进行预警。

相比于当前人工测量厚度的方法，或者使用摄像头监控的方法，本发明具有以下积极效果：

1)既节省了人力成本，又实现了多点、大面积、实时监测，可以及时高效地发现安全隐患；

2)光纤无色透明，在植入冰层后不影响冰层自然外观；

3)光纤光栅作为应变传感器，在湿冷恶劣环境下测量精度高，性能可靠。

附图说明

图1是湖泊中的水及冻结形成的原始冰层示意图；

图2是原始冰面上的监测点及光纤铺设路径的起点、终点示意图；

图3是刻写有光纤光栅的光纤示意图；

图4是完成光纤铺设后的冰层示意图；

图5是完成注水后的冰层示意图；

图6是完成光纤植入后的冰层示意图；

图7是采用单条光纤的天然冰场冰层实时监测系统示意图；

图8是采用多条光纤的天然冰场冰层实时监测系统示意图；

图9是冰面应变场分布示意图；

附图标记：

1、湖泊中的水，2、原始冰层，3、天然冰场，4、起点，5～7、第一至第三监测点，8、终点，9、光纤，10～12、第一至第三光纤光栅，13、冰块，14、注入到原始冰层上的水，15、覆盖冰层，16、光纤光栅解调仪，17、控制主机，18、报警器，19～23、第一至第五光纤，24～63、第一至第四十光纤光栅，64～68、第一至第五起点，69～73、第一至第五终点，74、冰面上的裂缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，是湖泊中的水及冻结形成的原始冰层示意图。湖泊中的水1经过自然冻结，形成厚度为160mm的原始冰层2。

如图2所示，是湖泊冻结形成的天然冰场3的俯视图。在天然冰场3的原始冰层2上确定监测点5～7，并进行标记。第一至第三监测点5～7处于同一直线，第一至第三监测点5～7所在直线位置即光纤的铺设路径，从监测点5到监测点7方向为光纤铺设路径的正向方向。

在监测点5处，沿光纤铺设路径的反向方向延伸100mm，记为光纤铺设路径的起点4。在监测点7处，沿光纤铺设路径正向方向延伸100mm，记为光纤铺设路径的终点8。

测量并记录相邻监测点之间的距离，其中第一监测点5和第二监测点6之间距离500mm，第二监测点6和第三监测点7之间距离600mm。

如图3所示，是刻写有光纤光栅的光纤示意图。光纤9上具有根据第一至第三监测点5～7的距离刻写的第一至第三光纤光栅10～12；因此，其中，第一光纤光栅10和第二光纤光栅11之间距离为500mm，第二光纤光栅11和第三光纤光栅12之间距离为600mm。

如图4所示，是完成光纤铺设后的冰层示意图。在位于原始冰层2的起点4处，将冰块13放置于光纤9上。

如图5所示，是完成注水后的冰层示意图。光纤9铺设和固定完成后，冰块13和原始冰层2接触面的缝隙中为注入到原始冰层上的水14，深度为80mm。注入到原始冰层上的水14覆盖了铺设的光纤9和冰块13。

如图6所示，是完成光纤植入后的冰层示意图。注入到原始冰层上的水经过冷冻形成覆盖冰层15，光纤9、冰块13和原始冰层2都在覆盖冰层15内。

实施例1：

如图7所示，是基于单条光纤的天然冰场冰层实时监测系统示意图。该系统包括光纤9、光纤光栅解调仪16、控制主机17和报警器18。其中，光纤9于终点8处连接设置于天然冰场3外的光纤光栅解调仪16，光纤光栅解调仪16与控制主机17连接，控制主机17与报警器18连接，光纤9刻写有8个光纤光栅。

实施例2：

如图8所示，为基于多条光纤的天然冰场冰层实时监测系统示意图。该系统包括5条光纤即第一至第五光纤19～23，每条光纤刻写有8个光纤光栅，一共覆盖冰面上40个监测点即第一监测点至第四十监测点24～63。在完成全部5条光纤的铺设和固定后，将5条光纤各自的终点即第一至第五终点69-73处的光纤均连接到光纤光栅解调仪16。

实施例3：

基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统的安装方法，包括以下步骤：

步骤1、在原始冰层上确定监测点的位置和数量，并对监测点进行标记；

步骤2、根据标记的监测点，确定光纤铺设路径，其中处于同一直线上的监测点单独使用一条光纤，该直线位置即对应的光纤铺设路径；

步骤3、在每条光纤铺设路径上，将监测点到光纤光栅解调仪的方向规定为正向方向，与正向方向相反的方向规定为反向方向。在光纤铺设路径正向方向的第一个监测点处，沿反向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的起点；

步骤4、在每条光纤铺设路径的最后一个监测点处，沿正向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的终点；

步骤5、测量并记录同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离；

步骤6、根据步骤1确定的监测点数量和步骤5确定的同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离，在光纤上刻写光纤光栅，同一条光纤上相邻光纤光栅之间的距离就是步骤5中相邻监测点之间的距离；

步骤7、从光纤铺设路径的起点处开始，将步骤6中刻写有光纤光栅的光纤沿光纤铺设路径铺设到原始冰层，其中光纤上的光纤光栅位置和冰面上的监测点位置一一对应；

步骤8、在光纤铺设路径的起点处，将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径起点处的冻结和固定；

步骤9、在光纤铺设路径的终点处，对光纤进行预拉伸，使整条光纤处于预紧状态并紧贴原始冰层，之后将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径终点处的冻结和固定；

步骤10、重复步骤7至步骤9，完成所有光纤的铺设，之后将终点处的所有光纤连接到设置于冰场外的光纤光栅解调仪；

步骤11、向冰场注水，注水深度为50mm至100mm；自然冷冻48小时以上，注入的水即形成覆盖冰层，此时，光纤和冰块都处于覆盖冰层之下；至此，完成了光纤在天然冰场冰层内的植入。

实施例4：

基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统的安装方法，包括以下步骤：

步骤1、将光纤光栅解调仪与控制主机连接，控制主机与报警器连接；

步骤2、通过获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝：

冰面上存在裂缝，此时冰面上应力集中在裂缝处，裂缝处周围应变高达200με～300με；

随着远离裂缝处，应变逐渐减小，在没有裂缝影响的冰面，应变值小于10με；

步骤3、在控制主机中设置安全阈值，将光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与控制主机中设置的安全阈值进行比较，若当光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动报警器进行预警。

如图9所示，是冰面应变场分布示意图。可以看出，冰面上存在裂缝74，此时冰面上应力集中在裂缝74处，裂缝74处周围应变高达200με～300με。随着远离裂缝处74，应变逐渐减小。在没有裂缝74影响的冰面，应变值小于10με。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统，其特征在于，该系统包括天然冰场、原始冰层、光纤、光纤光栅解调仪、控制主机和报警器；其中：所述光纤紧贴冰面铺设于原始冰层上且于光纤铺设的终点处延伸至天然冰场，所述光纤于终点处连接所述光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪与所述控制主机连接，所述控制主机与所述报警器连接，所述光纤刻写有8个光纤光栅；

所述控制主机用于通过从光纤光栅解调仪获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝，并发布预警：在所述控制主机中设置安全阈值，将所述光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与所述控制主机中设置的安全阈值进行比较，当所述光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动所述报警器进行预警。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统，其特征在于，所述光纤采用5条光纤即第一至第五光纤，覆盖冰面上40个监测点即第一监测点至第四十监测点；5条光纤各自的终点即第一至第五终点69-73处的光纤均连接到光纤光栅解调仪。

3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测系统的安装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、在原始冰层上确定监测点的位置和数量，并对监测点进行标记；

步骤2、根据标记的监测点，确定光纤铺设路径，其中处于同一直线上的监测点单独使用一条光纤，该直线位置即对应的光纤铺设路径；

步骤3、在每条光纤铺设路径上，将监测点到光纤光栅解调仪的方向规定为正向方向，与正向方向相反的方向规定为反向方向；在光纤铺设路径正向方向的第一个监测点处，沿反向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的起点；

步骤4、在每条光纤铺设路径的最后一个监测点处，沿正向方向延伸50mm至300mm处，标记为该条光纤铺设路径的终点；

步骤5、测量并记录同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离；

步骤6、根据步骤1确定的监测点数量和步骤5确定的同一条光纤铺设路径上相邻监测点之间的距离，在光纤上刻写光纤光栅，同一条光纤上相邻光纤光栅之间的距离就是步骤5中相邻监测点之间的距离；

步骤7、从光纤铺设路径的起点处开始，将步骤6中刻写有光纤光栅的光纤沿光纤铺设路径铺设到原始冰层，其中光纤上的光纤光栅位置和冰面上的监测点位置一一对应；

步骤8、在光纤铺设路径的起点处，将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径起点处的冻结和固定；

步骤9、在光纤铺设路径的终点处，对光纤进行预拉伸，使整条光纤处于预紧状态并紧贴原始冰层，之后将冰块放置于光纤上，向冰块和原始冰层接触面的缝隙中注水，注入的水作为冰块在原始冰层上冻结的黏合剂；静置5分钟以上，从而实现光纤在铺设路径终点处的冻结和固定；

步骤10、重复步骤7至步骤9，完成所有光纤的铺设，之后将终点处的所有光纤连接到设置于冰场外的光纤光栅解调仪；

步骤11、向冰场注水，注水深度为50mm至100mm；自然冷冻48小时以上，注入的水即形成覆盖冰层，此时，光纤和冰块都处于覆盖冰层之下；至此，完成了光纤在天然冰场冰层内的植入。

4.一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、将光纤光栅解调仪与控制主机连接，控制主机与报警器连接；

步骤2、通过获得的冰面应变场分布分析，识别冰面上存在的裂缝：

冰面上存在裂缝，此时冰面上应力集中在裂缝处，裂缝处周围应变高达200με～300με；

随着远离裂缝处，应变逐渐减小，在没有裂缝影响的冰面，应变值小于10με；

步骤3、在控制主机中设置安全阈值，将光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值与控制主机中设置的安全阈值进行比较，若当光纤光栅实时监测到的冰层中的应变值大于安全阈值时，启动报警器进行预警。

5.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的天然冰场冰层实时监测方法，其特征在于，所述光纤采用5条光纤即第一至第五光纤，覆盖冰面上40个监测点即第一监测点至第四十监测点；5条光纤各自的终点即第一至第五终点69-73处的光纤均连接到光纤光栅解调仪。

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