CN115060186A - 基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法 - Google Patents

基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法，其系统中的弱反射率光栅阵列获得桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；混合空分波分时分复用的解调装置分别对光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将光栅数据发送至数据分析处理装置；数据分析处理装置对光栅数据进行处理，确定桥梁主梁的多物理参量，并根据多物理参量确定桥梁主梁的安全状态；监控终端装置用于构建桥梁主梁的虚拟模型，并基于虚拟模型将多物理参量进行实时动态展示。本发明提高了安全监测的可靠性，并实现了对桥梁主梁的高精度、大容量、长距离、低成本及无损监测。

Description

基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法。
背景技术
桥梁的主梁构件是其重要的承重部分之一，而在桥梁的运营过程中，由于材料长期锈蚀、构件初始缺陷与偶然荷载等作用下，构件损伤的累积不仅会影响主梁构件服役的可靠性，还会降低其整体的承载能力。另外随着人民生活水平不断提高，我国人均汽车保有量亦连年提升，各类桥梁在未来的使用过程中所承受的可变荷载会大大增加。有必要对新建与既有桥梁的主梁构件实施安全监测系统，以保证其健康状态与正常运营，在危险或损伤萌生时为巡检人员提供可量化参考的依据。
关于各类桥型的主梁安全监测技术主要有电阻应变片、振弦传感器以及光纤布拉格光栅等，上述的离散式监测仅能实现对主梁局部应变的测量，无法对主梁进行多物理量与全时全域测量，难以捕捉梁体开裂、沉降、跨中下挠、支座脱空与材料疲劳等病害。并且，光纤传感技术的典型调制解调方案有N通道空间分路复用技术、波长分路复用技术与时间分路复用技术等三类。N通道空间分路复用的成本较高。波长分路复用技术具有高精度测量、信噪比高以及空间定位精确等优势，但其复用容量较低，难以满足全域测量的大容量需求。时间分路复用技术的测量精度较低。
因此，急需提出一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法，解决现有技术中存在的无法对桥梁进行多物理量、全时全域测量的监测以及无法同时兼顾成本、精度和大容量的技术问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法，用以解决现有技术中存在的无法对桥梁进行多物理量、全时全域测量的监测以及无法同时兼顾成本、精度和大容量的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，包括：弱反射率光栅阵列、混合空分波分时分复用的解调装置、数据分析处理装置以及监控终端装置；
所述弱反射率光栅阵列包括应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列，所述应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列分别用于对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得所述桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
所述混合空分波分时分复用的解调装置用于分别对所述光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至所述数据分析处理装置；
所述数据分析处理装置用于对所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定所述桥梁主梁的多物理参量，并根据所述多物理参量确定所述桥梁主梁的安全状态；
所述监控终端装置用于构建所述桥梁主梁的虚拟模型，并基于所述虚拟模型将所述多物理参量进行实时动态展示。
在一些可能的实现方式中，所述应变传感光栅阵列包括圆状应变传感光栅阵列和扁平状应变传感光栅阵列，所述温度传感光栅阵列包括圆状温度传感光栅阵列和扁平状温度传感光栅阵列，所述振动传感光栅阵列包括圆状振动传感光栅阵列和扁平状振动传感光栅阵列。
在一些可能的实现方式中，所述圆状应变传感光栅阵列包括多个圆状应变传感光缆，圆状应变传感光缆包括由内至外同轴设置的应变传感光纤、应变粘接剂层、应变保护层以及应变外护套；
所述圆状温度传感光栅阵列包括多个圆状温度传感光缆，圆状温度传感光缆包括由内至外同轴设置的温度传感光纤、温度粘接剂层、温度保护层以及温度外护套；
所述圆状振动传感光栅阵列包括多个圆状振动传感光缆，圆状振动传感光缆包括由内之外同轴设置的振动传感光纤、振动粘接剂层、树脂套管层、第一振动保护层、内护套、填充物层、第二振动保护层以及振动外护套；
所述应变外护套、温度外护套以及振动外护套中均设置有至少一根钢丝。
在一些可能的实现方式中，所述扁平状应变传感光栅阵列包括多个扁平状应变传感光缆，扁平状应变传感光缆包括应变传感光纤以及包覆所述应变传感光栅的矩形应变固化层；
所述扁平状温度传感光栅阵列包括多个扁平状温度传感光缆，扁平状温度传感光缆包括温度传感光纤以及包覆所述温度传感光栅的矩形温度固化层；
所述扁平状振动传感光栅阵列包括多个扁平状振动传感光缆，扁平状振动传感光缆包括振动传感光纤以及包覆所述振动传感光栅的矩形振动固化层；
所述矩形应变固化层、矩形温度固化层以及矩形振动固化层中均设置有至少一个钢丝。
在一些可能的实现方式中，所述多物理参量包括整体应变、材料蠕变退化量、裂缝拓展量以及挠度线形，所述应变传感光栅阵列包括多个间隔设置的应变传感光栅，所述光栅应变数据包括各应变传感光栅子数据、光栅整体应变数据、光栅裂缝应变数据以及光栅挠度应变数据；
所述数据分析处理装置包括应变分析处理模块，所述应变分析处理模块包括应变灵敏度标定单元、整体应变确定单元、材料蠕变退化确定单元、裂缝拓展确定单元以及挠度线形确定单元；
所述应变灵敏度标定单元用于获得所述桥梁主梁的初始整体应变、初始裂缝应变以及初始挠度应变以及在静载试验条件下的应变增量、裂缝变化量以及挠度变化量，并根据所述初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变增量确定应变灵敏度，根据所述初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝变化量确定裂缝灵敏度，根据所述初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度变化量确定挠度灵敏度；
所述整体应变确定单元用于根据所述初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变灵敏度确定所述桥梁主梁的整体应变；
所述裂缝拓展确定单元用于根据所述初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝灵敏度确定所述桥梁主梁的裂缝拓展量；
所述挠度线形确定单元用于根据所述初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度灵敏度确定所述桥梁主梁的挠度线形；
所述材料蠕变退化确定单元用于获取各应变传感光栅处的初始应变子数据，并根据所述初始应变子数据和所述应变传感光栅子数据确定所述桥梁主梁的材料蠕变退化量。
在一些可能的实现方式中，所述多物理参量还包括整体温度，所述数据分析处理装置包括温度分析处理模块；
所述温度分析处理模块用于获得温度灵敏度以及初始温度，并根据所述温度灵敏度、初始温度和光栅温度数据确定所述桥梁主梁的整体温度。
在一些可能的实现方式中，所述多物理参量还包括支座脱空，所述应变传感光栅阵列包括设置在所述桥梁主梁上游的第一应变传感光栅和设置在所述桥梁主梁下游的第二应变传感光栅，所述数据分析处理装置还包括支座脱空分析处理模块，所述支座脱空分析处理模块用于根据所述第一应变传感光栅和所述第二应变传感光栅确定所述桥梁主梁在车辆经过时的第一应变增量和第二应变增量，并根据所述第一应变增量和所述第二应变增量确定所述桥梁主梁是否存在支座脱空。
在一些可能的实现方式中，所述多物理参量还包括异常振动，所述数据分析处理装置还包括异常振动分析处理模块，所述异常振动分析处理模块用于基于所述光栅振动数据确定所述桥梁主梁的频域曲线，并提取所述频域曲线的实时特征值，根据所述实时特征值和目标特征值确定所述桥梁主梁是否存在异常振动。
在一些可能的实现方式中，所述混合空分波分时分复用的解调装置包括：宽带光源、第一半导体放大模块、第一光分路器、掺铒光纤放大器、第一环形器、第二光分路器、第二半导体光放大模块、光电转换模块、模数转换模块、脉冲信号控制模块、脉冲发生器、第二环形器、第三光分路器、迈克尔逊干涉仪模块、压电陶瓷、电源模块、数据临时存储卡以及信号发送器，所述第二光分路器的一端连接于所述温度传感光栅阵列和所述应变传感光栅阵列，所述第三光分路器的一端连接于所述振动传感光栅阵列。
另一发明，本发明还提供了一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法，适用于上述任意一种可能的实现方式中所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，所述基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法包括：
基于应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
基于混合空分波分时分复用的解调装置分别对所述光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至所述数据分析处理装置；
基于数据分析处理装置对所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定所述桥梁主梁的多物理参量，并根据所述多物理参量确定所述桥梁主梁的安全状态；
基于监控终端装置构建所述桥梁主梁的虚拟模型，并基于所述虚拟模型将所述多物理参量进行实时动态展示。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，通过设置弱反射率光栅阵列对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，可实现对桥梁主梁的全时全域全天候监测，并且，由于弱反射光率光栅阵列与桥梁主梁线形高度契合，可较好地应用于各类材质的桥梁主梁中，提高了桥梁主梁安全监测系统的适用性。
进一步地，本发明通过设置弱反射率光栅阵列包括应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列，可基于应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列对桥梁主梁进行多物理参量的测量，即可从应变、温度和振动这三个维度对桥梁主梁的安全进行监测，提高了安全监测的可靠性。
更进一步地，本发明通过设置混合空分波分时分复用的解调装置对光栅信号进行解调，结合了空间分路复用技术、波长分路复用技术和时间分路复用技术，实现了对桥梁主梁的高精度、大容量、长距离、低成本及无损监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统的一个实施例结构示意图；
图2为本发明提供的圆状应变传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图3为本发明提供的圆状温度传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图4为本发明提供的圆状振动传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图5为本发明提供的扁平状应变传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图6为本发明提供的扁平状温度传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图7为本发明提供的扁平状振动传感光栅阵列的一个实施例结构示意图；
图8为本发明提供的弱反射率光栅阵列应用于混凝土材质主梁的测点布置示意图；
图9为本发明提供的弱反射率光栅阵列应用于钢结构材质主梁的测点布置示意图；
图10为本发明提供的数据分析处理装置的一个实施例结构示意图；
图11为本发明提供的混合空分波分时分复用的解调装置的一个实施例结构示意图；
图12为本发明提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法的实施例流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明提供了一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法，以下分别进行说明。
图1为本发明提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统的一个实施例结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统10包括：弱反射率光栅阵列100、混合空分波分时分复用的解调装置200、数据分析处理装置300以及监控终端装置400；
弱反射率光栅阵列100包括应变传感光栅阵列110、温度传感光栅阵列120以及振动传感光栅阵列130，应变传感光栅阵列110、温度传感光栅阵列120以及振动传感光栅阵列130分别用于对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
混合空分波分时分复用的解调装置200用于分别对光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至数据分析处理装置；
数据分析处理装置300用于对光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定桥梁主梁的多物理参量，并根据多物理参量确定桥梁主梁的安全状态；
监控终端装置400用于构建桥梁主梁的虚拟模型，并基于虚拟模型将多物理参量进行实时动态展示。
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统10，通过设置弱反射率光栅阵列100对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，可实现对桥梁主梁的全时全域全天候监测，并且，由于弱反射光率光栅阵列100与桥梁主梁线形高度契合，可较好地应用于各类材质的桥梁主梁中，提高了桥梁主梁安全监测系统的适用性，本发明实施例可适用于悬索桥、斜拉桥、拱桥以及梁桥等桥型。
进一步地，本发明实施例通过设置弱反射率光栅阵列100包括应变传感光栅阵列110、温度传感光栅阵列120以及振动传感光栅阵列130，可基于应变传感光栅阵列110、温度传感光栅阵列120以及振动传感光栅阵列130对桥梁主梁进行多物理参量的测量，即可从应变、温度和振动这三个维度对桥梁主梁的安全进行监测，提高了安全监测的可靠性。
更进一步地，本发明实施例通过设置混合空分波分时分复用的解调装置200对光栅信号进行解调，结合了空间分路复用技术、波长分路复用技术和时间分路复用技术，实现了对桥梁主梁的高精度、大容量、长距离、低成本及无损监测。
其中，本发明实施例中的弱反射率光栅阵列包括封装的多条弱反射率光缆，每天弱反射率光缆上包括多个间隔刻写的弱反射光栅，各弱反射光栅的光栅反射率低于0.1%。
具体地：应变传感光栅阵列包括多条应变传感光缆，各应变传感光缆包括间隔设置的多个应变传感光栅，温度传感光栅阵列包括多条温度传感光缆，各温度传感光缆包括间隔设置的多个温度传感光栅，振动传感光栅阵列包括多条振动传感光缆，各振动传感光缆包括间隔设置的多个振动传感光栅。
在本发明的具体实施例中，应变传感光栅、温度传感光栅和振动传感光栅的长度均为5mm~10mm，相邻两个应变传感光栅之间的间距为1~2m，相邻两个温度传感光栅之间的间距也为1~2m，相邻两个振动传感光栅之间的间距为3~5m。
按弱反射率光缆的光缆断面划分，应变传感光栅阵列110包括圆状应变传感光栅阵列和扁平状应变传感光栅阵列，温度传感光栅阵列120包括圆状温度传感光栅阵列和扁平状温度传感光栅阵列，振动传感光栅阵列130包括圆状振动传感光栅阵列和扁平状振动传感光栅阵列。其中，圆状应变传感光栅阵列、圆状温度传感光栅阵列、圆状振动传感光栅阵列中的光缆断面为圆形，扁平状应变传感光栅阵列、扁平状温度传感光栅阵列、扁平状振动传感光栅阵列的光缆断面为矩形。
在本发明的具体实施例中，如图2所示，圆状应变传感光栅阵列包括多个圆状应变传感光缆111，圆状应变传感光缆111包括由内至外同轴设置的应变传感光纤1111、应变粘接剂层1112、应变保护层1113以及应变外护套1114。应变传感光纤1111上包括多个间隔设置的应变传感光栅1115。
其中，应变保护层1113具体为不锈钢螺旋样式的铠装保护层，通过这种设置可以降低圆状应变传感光栅阵列的应变传递效率损失，进而保证基于圆状应变传感光栅阵列监测到的桥梁主梁相关物理量的灵敏度。
并且，应变外护套1114的材质为高密度聚乙烯或低烟无卤材料。
如图3所示，圆状温度传感光栅阵列包括多个圆状温度传感光缆121，圆状温度传感光缆121包括由内至外同轴设置的温度传感光纤1211、温度粘接剂层1212、温度保护层1213以及温度外护套1214。温度传感光纤1211上包括多个间隔设置的温度传感光栅1215。
具体地，温度保护层1213具体为铝合金光滑的铠装保护层，通过这种设置可使温度传感光纤1211长期处于无应力状态，外界载荷变化不会使温度传感光纤1211发生波长漂移，且铝合金的良好导热性能可以敏感的捕捉外界温度变化，提高基于圆状温度传感光栅阵列监测到的桥梁主梁相关物理量的灵敏度。
并且，温度外护套1214的材质也为高密度聚乙烯或低烟无卤材料。
如图4所示，圆状振动传感光栅阵列包括多个圆状振动传感光缆131，圆状振动传感光缆131包括由内之外同轴设置的振动传感光纤1311、振动粘接剂层1312、树脂套管层1313、第一振动保护层1314、内护套1315、填充物层1316、第二振动保护层1317以及振动外护套1318。振动传感光纤1311上包括多个间隔设置的振动传感光栅1319。
由于振动传感光栅阵列130监测桥梁主梁的振动并非利用振动传感光栅阵列130的波长偏移，而是以两个相邻振动传感光栅间的长度段为对象，根据两束反射光谱的干涉光强度变化从而判别振动，结构层数较多的振动传感光栅阵列130可以保证其监测数据的精确度以及长期安全监测的可靠性，不会因振动疲劳导致光缆产生损伤。
具体地，第一振动保护层1314和第二振动保护层1317均为不锈钢铠装保护层。填充物层1316填充的物质为阻水纱填充物。
还需要说明的是：为了提高应变传感光纤1111、温度传感光纤1211、振动传感光纤1311的性能，在应变传感光纤1111、温度传感光纤1211、振动传感光纤1311均涂覆有涂覆层，应变传感光纤1111和振动传感光纤1311的涂覆层材质为聚酰亚胺，温度传感光纤1211的涂覆层材质为丙烯酸酯。
为了避免由于外界入侵力量导致应变传感光纤1111、温度传感光纤1211、振动传感光纤1311中至少一个发生损坏，造成无法有效对桥梁进行监测，在本发明的一些实施例中，如图2-图4所示，应变外护套1114、温度外护套1214以及振动外护套1318中均设置有至少一根钢丝1116。
在本发明的具体实施例中，应变外护套1114、温度外护套1214以及振动外护套1318中均设置有2根钢丝1116。其中，钢丝1116的材质为SU304不锈钢。
在本发明的一些实施例中，如图5所示，扁平状应变传感光栅阵列包括多个扁平状应变传感光缆112，扁平状应变传感光缆112包括应变传感光纤1111以及包覆应变传感光纤1111的矩形应变固化层1121。
如图6所示，扁平状温度传感光栅阵列包括多个扁平状温度传感光缆122，扁平状温度传感光缆122包括温度传感光纤1211以及包覆温度传感光纤1211的矩形温度固化层1221。
如图7所示，扁平状振动传感光栅阵列包括多个扁平状振动传感光缆132，扁平状振动传感光缆132包括振动传感光纤1311以及包覆振动传感光栅1131的矩形振动固化层1321。
为了固化方便，在本发明的一些实施例中，矩形应变固化层1121、矩形温度固化层1221以及矩形振动固化层1321均为紫外固化胶层。
为了避免由于外界入侵力量导致应变传感光纤1111、温度传感光纤1211、振动传感光纤1311中至少一个发生损坏，造成无法有效对桥梁进行监测，在本发明的一些实施例中，如图2-图4所示，矩形应变固化层1121、矩形温度固化层1221以及矩形振动固化层1321中均设置有至少一个钢丝1116。
在本发明的具体实施例中，矩形应变固化层1121、矩形温度固化层1221以及矩形振动固化层1321中均设置有2根钢丝1116。其中，钢丝1116的材质为SU304不锈钢。
由于桥梁主梁按照材质可分为混凝土结构和钢结构，并且扁平状应变传感光栅阵列通过贴合与桥梁表面即可实现监测，圆状应变传感光栅阵列需要埋设至桥梁内部，因此，在本发明的一些实施例中，圆状应变传感光栅阵列可应用于混凝土材质的桥梁主梁的安全监测中，扁平状应变传感光栅阵列可应用于混凝土结构和/或与钢结构材质的桥梁主梁的安全监测中。
在本发明的具体实施例中，如图8所示，桥梁主梁800的材质为混凝土，则按监测布线图将圆状应变传感光栅阵列绑扎于桥梁主梁800的钢筋上，绑扎部位可涂敷卡夫特AB胶从而增强连接可靠性，再灌入商品混凝土浆，使得圆状内置式光栅阵列与桥梁合为一体。具体地：圆状应变传感光栅阵列包括第一圆状应变传感光缆801、第二圆状应变传感光缆802、第三圆状应变传感光缆803、圆状温度传感光缆804以及圆状振动传感光缆805，扁平状应变传感光栅阵列包括扁平状应变传感光缆806。
具体地布设方式为：沿监测布线图方向凿开沥青混凝土桥面层8~16cm，进而将相应的圆状应变传感光栅阵列放入其中，标注并记录相应光栅阵列所监测的物理量，包括混凝土主梁中测整体应变的第一圆状应变传感光缆801、测材料蠕变退化的第二圆状应变传感光缆802、测挠度线形的第三圆状应变传感光缆803、测整体温度的圆状温度传感光缆804与测振动的圆状振动传感光缆805，再注入商品混凝土浆，使得圆状应变传感光栅阵列与桥梁合为一体。为了监测主梁构件的裂缝拓展，将扁平状应变传感光缆806粘贴于已有的裂缝位置A，粘接剂选用卡夫特AB胶，安装时要注意裂缝位置A要与扁平状应变传感光缆806中的应变传感光栅的位置重合。
在本发明的具体实施例中，如图9所示，对于材质为钢结构的桥梁主梁900，沿监测布线图方向打磨桥梁主梁900表面直至其光滑，进而将相应的扁平状应变传感光栅阵列粘贴于相应位置，粘接剂选用卡夫特AB胶。或者可采用线卡910固定的方案，在一具体实施例中，扁平状应变传感光栅阵列包括测裂缝B的裂缝拓展的扁平状应变传感光缆901，使用两个线卡910固定装置约束扁平状应变传感光缆901的两端，但采用线卡910固定扁平状应变传感光缆901时必须对扁平状应变传感光缆901进行预拉伸，预拉伸的波长偏移量约为1nm，否则无法测得压应变，安装时要注意裂缝位置B要与弱反射率应变光栅位置重合。应当理解的是：扁平状应变传感光栅阵列还可包括除了扁平状应变传感光缆901之外的钢结构主梁中测整体应变的扁平状应变传感光缆902、测材料蠕变退化的扁平状应变传感光缆903、测挠度线形的扁平状应变传感光缆904、测整体温度的扁平状温度传感光缆905、测振动的扁平状振动传感光缆906。若需要则将上述光缆沿着钢结构的主梁900布设。
在本发明的一些实施例中，多物理参量包括整体应变、材料蠕变退化量、裂缝拓展量以及挠度线形，应变传感光栅阵列包括多个间隔设置的应变传感光栅，光栅应变数据包括各应变传感光栅子数据、光栅整体应变数据、光栅裂缝应变数据以及光栅挠度应变数据；
则如图10所示，数据分析处理装置300包括应变分析处理模块310，应变分析处理模块310包括应变灵敏度标定单元311、整体应变确定单元312、材料蠕变退化确定单元313、裂缝拓展确定单元314以及挠度线形确定单元315；
应变灵敏度标定单元311用于获得桥梁主梁的初始整体应变、初始裂缝应变以及初始挠度应变以及在静载试验条件下的应变增量、裂缝变化量以及挠度变化量，并根据初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变增量确定应变灵敏度，根据初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝变化量确定裂缝灵敏度，根据初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度变化量确定挠度灵敏度；
整体应变确定单元312用于根据初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变灵敏度确定桥梁主梁的整体应变；
裂缝拓展确定单元314用于根据初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝灵敏度确定桥梁主梁的裂缝拓展量；
挠度线形确定单元315用于根据初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度灵敏度确定桥梁主梁的挠度线形；
材料蠕变退化确定单元313用于获取各应变传感光栅处的初始应变子数据，并根据初始应变子数据和应变传感光栅子数据确定桥梁主梁的材料蠕变退化量。
具体地：应变灵敏度
Figure 505698DEST_PATH_IMAGE001
、裂缝灵敏度
Figure 171166DEST_PATH_IMAGE002
以及挠度灵敏度
Figure 456653DEST_PATH_IMAGE003
分别为：
Figure 616502DEST_PATH_IMAGE004
式中，
Figure 671045DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 507414DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 670411DEST_PATH_IMAGE007
分别为初始整体应变、初始裂缝应变以及初始挠度应变；
Figure 742272DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 57847DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 550271DEST_PATH_IMAGE010
分别为光栅整体应变数据、光栅裂缝应变数据以及光栅挠度应变数据；E、C、D分别为应变增量、裂缝变化量以及挠度变化量。
具体地，整体应变为
Figure 810351DEST_PATH_IMAGE011
；裂缝拓展量为
Figure 561269DEST_PATH_IMAGE012
；挠度线形为
Figure 590405DEST_PATH_IMAGE013
。
在本发明的一些实施例中，多物理参量还包括整体温度，如图10所示，数据分析处理装置300包括温度分析处理模块320；
温度分析处理模块320用于获得温度灵敏度以及初始温度，并根据温度灵敏度、初始温度和光栅温度数据确定桥梁主梁的整体温度。
具体地，整体温度为
Figure 17844DEST_PATH_IMAGE014
。其中，
Figure 499641DEST_PATH_IMAGE015
为初始温度；
Figure 211507DEST_PATH_IMAGE016
为光栅温度数据；
Figure 95150DEST_PATH_IMAGE017
为温度灵敏度。
在本发明的一些实施例中，多物理参量还包括支座脱空，应变传感光栅阵列包括设置在桥梁主梁上游的第一应变传感光栅和设置在桥梁主梁下游的第二应变传感光栅，如图10所示，数据分析处理装置300还包括支座脱空分析处理模块330，支座脱空分析处理模块330用于根据第一应变传感光栅和第二应变传感光栅确定桥梁主梁在车辆经过时的第一应变增量和第二应变增量，并根据第一应变增量和第二应变增量确定桥梁主梁是否存在支座脱空。
由于桥梁主梁在车辆经过的情况下，理论上而言桥梁主梁的上游与下游两侧协同受力，第一应变增量和第二应变增量应该相同，因此，若第一应变增量和第二应变增量之间的差值大于阈值差值，即可说明桥梁主梁存在3支座受力的情况，即发生了支座脱空的病害。
在本发明的一些实施例中，多物理参量还包括异常振动，如图10所示，数据分析处理装置300还包括异常振动分析处理模块340，异常振动分析处理模块340用于基于光栅振动数据确定桥梁主梁的频域曲线，并提取频域曲线的实时特征值，根据实时特征值和目标特征值确定桥梁主梁是否存在异常振动。
其中，频域曲线的确定过程为：确定振动灵敏度，并用光栅振动数据除以振动灵敏度获得桥梁主梁的时域曲线，然后基于快速傅里叶变换得到频域曲线。
在本发明的一些实施例中，如图11所示，混合空分波分时分复用的解调装置200包括：宽带光源210、第一半导体放大模块220、第一光分路器230、掺铒光纤放大器240、第一环形器250、第二光分路器260、第二半导体光放大模块270、光电转换模块280、模数转换模块290、脉冲信号控制模块2100、脉冲发生器2110、第二环形器2120、第三光分路器2130、迈克尔逊干涉仪模块2140、压电陶瓷2150、电源模块2160、数据临时存储卡2170以及信号发送器2180，第二光分路器260的一端连接于温度传感光栅阵列120和应变传感光栅阵列110，第三光分路器2130的一端连接于振动传感光栅阵列130。
通过混合空分波分时分复用的解调装置200对应变、温度光栅数据进行解调的原理为：由第一光分路器230得到的入射光，首先经过掺铒光纤放大器240再次提高入射光的功率，之后入射光利用第一环形器250与第一光分路器230进入至应变传感光栅阵列110与温度传感光栅阵列120中，进而由第一环形器250的第三个端口接收反射光信号，反射光输出到第二半导体光放大模块270，再输出到光电转换模块280与模数转换模块290，由脉冲信号控制模块2100可解析光栅阵列的波长信号。再利用脉冲发生器2110可以控制第一半导体放大模块220与第二半导体光放大模块270的时序，以及第一光分路器230的多通道复用，从而实现了光栅阵列的混合空分波分时分复用。
通过混合空分波分时分复用的解调装置200对振动光栅数据进行解调的原理为：由第一光分路器230得到的入射光，利用第二环形器2120与第二光分路器2130进入至振动传感光栅阵列，入射光经过上述两个相邻振动光栅后产生两束反射光谱。而振动传感光栅阵列130中，任意相邻两个振动光栅间距为3~5m，因此两束反射光谱具有明显时间差异，接入至迈克尔逊干涉仪模块2140，采用压电陶瓷2150作为相位调制器使反射光谱相位有规律地改变，使得两束反射光谱在迈克尔逊干涉仪模块2140发生干涉，干涉信号由光电转换模块280与模数转换模块290，最后到达脉冲信号控制模块2100，从而检测干涉光强度随时间变化的时程曲线。
需要说明的是：信号发送器2180为5G发送器，针对弱反射率光栅阵列100的大容量特点，将光栅的波长数据低延时且高效地无线发送至监控终端装置400与数据分析处理装置300。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法，如图12所示，基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法包括：
S1201、基于应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
S1202、基于混合空分波分时分复用的解调装置分别对光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至数据分析处理装置；
S1203、基于数据分析处理装置对光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定桥梁主梁的多物理参量，并根据多物理参量确定桥梁主梁的安全状态；
S1204、基于监控终端装置构建桥梁主梁的虚拟模型，并基于虚拟模型将多物理参量进行实时动态展示。
上述实施例提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法可实现上述基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统实施例中描述的技术方案，上述步骤具体实现的原理可参见上述基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统实施例中的相应内容，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上对本发明所提供的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，包括：弱反射率光栅阵列、混合空分波分时分复用的解调装置、数据分析处理装置以及监控终端装置；
所述弱反射率光栅阵列包括应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列，所述应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列分别用于对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得所述桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
所述混合空分波分时分复用的解调装置用于分别对所述光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至所述数据分析处理装置；
所述数据分析处理装置用于对所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定所述桥梁主梁的多物理参量，并根据所述多物理参量确定所述桥梁主梁的安全状态；
所述监控终端装置用于构建所述桥梁主梁的虚拟模型，并基于所述虚拟模型将所述多物理参量进行实时动态展示。
2.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述应变传感光栅阵列包括圆状应变传感光栅阵列和扁平状应变传感光栅阵列，所述温度传感光栅阵列包括圆状温度传感光栅阵列和扁平状温度传感光栅阵列，所述振动传感光栅阵列包括圆状振动传感光栅阵列和扁平状振动传感光栅阵列。
3.根据权利要求2所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述圆状应变传感光栅阵列包括多个圆状应变传感光缆，圆状应变传感光缆包括由内至外同轴设置的应变传感光纤、应变粘接剂层、应变保护层以及应变外护套；
所述圆状温度传感光栅阵列包括多个圆状温度传感光缆，圆状温度传感光缆包括由内至外同轴设置的温度传感光纤、温度粘接剂层、温度保护层以及温度外护套；
所述圆状振动传感光栅阵列包括多个圆状振动传感光缆，圆状振动传感光缆包括由内之外同轴设置的振动传感光纤、振动粘接剂层、树脂套管层、第一振动保护层、内护套、填充物层、第二振动保护层以及振动外护套；
所述应变外护套、温度外护套以及振动外护套中均设置有至少一根钢丝。
4.根据权利要求2所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述扁平状应变传感光栅阵列包括多个扁平状应变传感光缆，扁平状应变传感光缆包括应变传感光纤以及包覆所述应变传感光栅的矩形应变固化层；
所述扁平状温度传感光栅阵列包括多个扁平状温度传感光缆，扁平状温度传感光缆包括温度传感光纤以及包覆所述温度传感光纤的矩形温度固化层；
所述扁平状振动传感光栅阵列包括多个扁平状振动传感光缆，扁平状振动传感光缆包括振动传感光纤以及包覆所述振动传感光栅的矩形振动固化层；
所述矩形应变固化层、矩形温度固化层以及矩形振动固化层中均设置有至少一个钢丝。
5.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述多物理参量包括整体应变、材料蠕变退化量、裂缝拓展量以及挠度线形，所述应变传感光栅阵列包括多个间隔设置的应变传感光栅，所述光栅应变数据包括各应变传感光栅子数据、光栅整体应变数据、光栅裂缝应变数据以及光栅挠度应变数据；
所述数据分析处理装置包括应变分析处理模块，所述应变分析处理模块包括应变灵敏度标定单元、整体应变确定单元、材料蠕变退化确定单元、裂缝拓展确定单元以及挠度线形确定单元；
所述应变灵敏度标定单元用于获得所述桥梁主梁的初始整体应变、初始裂缝应变以及初始挠度应变以及在静载试验条件下的应变增量、裂缝变化量以及挠度变化量，并根据所述初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变增量确定应变灵敏度，根据所述初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝变化量确定裂缝灵敏度，根据所述初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度变化量确定挠度灵敏度；
所述整体应变确定单元用于根据所述初始整体应变、光栅整体应变数据以及应变灵敏度确定所述桥梁主梁的整体应变；
所述裂缝拓展确定单元用于根据所述初始裂缝应变、光栅裂缝应变数据以及裂缝灵敏度确定所述桥梁主梁的裂缝拓展量；
所述挠度线形确定单元用于根据所述初始挠度应变、光栅挠度应变数据以及挠度灵敏度确定所述桥梁主梁的挠度线形；
所述材料蠕变退化确定单元用于获取各应变传感光栅处的初始应变子数据，并根据所述初始应变子数据和所述应变传感光栅子数据确定所述桥梁主梁的材料蠕变退化量。
6.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述多物理参量还包括整体温度，所述数据分析处理装置包括温度分析处理模块；
所述温度分析处理模块用于获得温度灵敏度以及初始温度，并根据所述温度灵敏度、初始温度和光栅温度数据确定所述桥梁主梁的整体温度。
7.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述多物理参量还包括支座脱空，所述应变传感光栅阵列包括设置在所述桥梁主梁上游的第一应变传感光栅和设置在所述桥梁主梁下游的第二应变传感光栅，所述数据分析处理装置还包括支座脱空分析处理模块，所述支座脱空分析处理模块用于根据所述第一应变传感光栅和所述第二应变传感光栅确定所述桥梁主梁在车辆经过时的第一应变增量和第二应变增量，并根据所述第一应变增量和所述第二应变增量确定所述桥梁主梁是否存在支座脱空。
8.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述多物理参量还包括异常振动，所述数据分析处理装置还包括异常振动分析处理模块，所述异常振动分析处理模块用于基于所述光栅振动数据确定所述桥梁主梁的频域曲线，并提取所述频域曲线的实时特征值，根据所述实时特征值和目标特征值确定所述桥梁主梁是否存在异常振动。
9.根据权利要求1所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，其特征在于，所述混合空分波分时分复用的解调装置包括：宽带光源、第一半导体放大模块、第一光分路器、掺铒光纤放大器、第一环形器、第二光分路器、第二半导体光放大模块、光电转换模块、模数转换模块、脉冲信号控制模块、脉冲发生器、第二环形器、第三光分路器、迈克尔逊干涉仪模块、压电陶瓷、电源模块、数据临时存储卡以及信号发送器，所述第二光分路器的一端连接于所述温度传感光栅阵列和所述应变传感光栅阵列，所述第三光分路器的一端连接于所述振动传感光栅阵列。
10.一种基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法，其特征在于，适用于如权利要求1-9任意一项所述的基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测系统，所述基于弱反射率光栅阵列的桥梁主梁安全监测方法包括：
基于应变传感光栅阵列、温度传感光栅阵列以及振动传感光栅阵列对桥梁主梁进行全时全域全天候监测，获得桥梁主梁的光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号；
基于混合空分波分时分复用的解调装置分别对所述光栅应变信号、光栅温度信号和光栅振动信号进行解调，获得光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据，并将所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据发送至所述数据分析处理装置；
基于数据分析处理装置对所述光栅应变数据、光栅温度数据和光栅振动数据进行处理，确定所述桥梁主梁的多物理参量，并根据所述多物理参量确定所述桥梁主梁的安全状态；
基于监控终端装置构建所述桥梁主梁的虚拟模型，并基于所述虚拟模型将所述多物理参量进行实时动态展示。
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