CN203432574U - 基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，包括超声波脉冲发射器、光纤分束器、脉冲发生器控制单元、光纤超声波传感器、传输光缆、传感光源、光纤分束器及信号解调与分析单元；光纤超声波传感器结构为由一段大芯径光纤两端分别熔接两段单模光纤构成的单模光纤-大芯径光纤-单模光纤型；所述传感光源通过传输光纤与分束器输入端连接，分束器的输出端与光纤超声波传感器的输入端连接，光纤超声波传感器输出端通过传输光缆与信号解调与分析单元连接。其优点是灵敏度高，精度好，长期性好，抗干扰能力强，可靠性高，工作参考点选择灵活，可实现长距离分布式监测和数据处理，结构简单，且传感系统性价比高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于光纤超声波技术分布式光纤监测系统及其监测方法，可以实现对桥梁、隧道及其它各种结构的沉降监测。
背景技术
结构的沉降监测是结构健康监测的一部分，通过各种无损检测方法获得结构的结构信息，并做出安全性评价与必要的预警。结构沉降监测结构健康监测领域的难点。目前国内主要通过传统检测手段来实现结构沉降的测量，如惯性测量,全站仪法，水准测量，缺点在于精度低，作业效率低，人工劳动强度很大，系统复杂，分辨率低且价格昂贵。因此尚缺乏可靠的技术手段，实现对建构沉降的长期分布式实时在线监测。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种测量距离长，探测灵敏度高，稳定性好，可长期在线监测且可靠性高的，用于结构的沉降监测的基于多模干涉效应的光纤超声波传感技术的分布式监测系统。
为解决上述技术问题，本实用新型利用单模光纤-大芯径光纤-单模光纤结构的多模干涉效应，结合超声波发射及检测分析技术，组成组成分布式光纤监测系统，实现结构的沉降监测，具体的方案如下：
一种基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：包括超声波脉冲发射器、光纤分束器、脉冲发生器控制单元、光纤超声波传感器、传输光缆、传感光源、光纤分束器及信号解调与分析单元；光纤超声波传感器结构为由一段大芯径光纤两端分别熔接两段单模光纤构成的单模光纤-大芯径光纤-单模光纤型；大芯径光纤是指纤芯直径大于单模光纤的光纤，即纤芯直径大于9微米的光纤；所述传感光源通过传输光纤与分束器输入端连接，分束器的输出端与光纤超声波传感器的输入端连接，光纤超声波传感器输出端通过传输光缆与信号解调与分析单元连接；所述脉冲发生器控制单元分别与信号解调与分析单元及超声波脉冲发生器相连接。
信号解调与分析单元由光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理装置和电脑显示装置依此串联组成，所述脉冲发生器控制单元连接至所述的数据采集卡的输入端；光纤超声波传感器输出端与所述的光电探测器输入端连接。
在所述的分束器和信号解调与分析单元之间并联有两个以上的所述光纤超声波传感器。
一种基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：包括超声波脉冲发射器、光纤反射器、脉冲发生器控制单元、光纤超声波传感器、传输光缆、传感光源、信号解调与分析单元以及光纤耦合器组成；光纤超声波传感器结构为由一段大芯径光纤两端分别熔接两段单模光纤构成的单模光纤-大芯径光纤-单模光纤型；所述的光纤耦合器为两个输入端和两个输出端的2×2光纤耦合器；传感光源发出的宽带光通过2×2光纤耦合器的其中一个输入端后分为两路，光纤耦合器第一输出端通过传输光缆连接光纤超声波传感器的输入端，光纤超声波传感器输出端连接光纤反射器，光纤耦合器第二输出端连接信号解调与分析单元的输入端，所述脉冲发生器控制单元分别与信号解调与分析单元及超声波脉冲发生器相连接。
信号解调与分析单元由光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理装置和电脑显示装置依此串联组成，所述脉冲发生器控制单元连接至所述的数据采集卡的输入端；光纤耦合器第二输出端与所述的光电探测器输入端连接。
本实用新型用于结构沉降分布式监测系统，包括透射式和反射式两种结构，其中透射式采用光纤分束器，而反射式采用光纤发射器，两种结构采用相同的光纤超声波传感器，两种结构的数据采集卡的输入端都与光电探测器的输出端连接用于采集光电探测器的输出信号，经过信号分析及处理单元后，在电脑显示装置上显示检测结果，以观测光纤超声波传感器的信号时域相关性变化。信号分析及处理单同时连接脉冲发生器控制单元，以保证脉冲发生与数据采集的同步性。脉冲发生器控制单元还连接超声波发生器，控制产生超声波脉冲信号。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
1、可实现对结构沉降长期实时监测，灵敏度高，精度好，长期性好，抗干扰能力强，可靠性高；
2、超声波信号可长距离传播，工作参考点选择灵活；
3、可实现长距离分布式监测和数据处理；
4、结构简单，且传感器成本低，性价比高。
附图说明
图1是本实用新型透射式监测系统的结构示意图。
图2是本实用新型光纤超声波传感器的构造示意图。
图3是图1并列多个光纤超声波传感器的结构示意图。
图4是本实用新型反射式监测系统的结构示意图。
图5是图4并列多个光纤超声波传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作详细说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
实施例一：
透射式传感系统，如图1所示，传感光源1发射出连续光信号，进入分束器2后分为若干路，其中一路经传输光缆3进入光纤超声波传感器4，传感器4的透射光信号经光电探测器5后输出的电流信号由信号解调与分析单元13的数据采集卡6进行采集，然后由信号分析及处理装置7对信号进行时域特性分析，得到电流信号中所包含的光强信息变化，然后由电脑显示装置8显示。超声波脉冲发生器9与脉冲发生器控制单元10连接，用于产生超声波脉冲信号。脉冲发生器控制单元10同时与数据采集卡6连接，用于确保脉冲信号发生与数据采集的同步性。
图2为光纤超声波传感器结构图，为一段大芯径光纤41两端熔接两段单模光纤42组成，大芯径光纤纤芯直径大于单模光纤的纤芯直径。
传感光源1发射出连续光信号，进入分束器2后分为若干路，其中一路经传输光缆3进入光纤超声波传感器4，光纤超声波传感器4置于被测结构。超声波脉冲发生器9置于无沉降参考点。当由脉冲发生器控制单元10控制的超声波脉冲从参考点超声波脉冲发生器9发射并传输至光纤超声波传感器4，光纤超声波传感器4所探测到的超声波脉冲信号与脉冲发生时刻相比，会产生相应的时间延迟，如果被测结构发生沉降，则光纤传感器所测超声波脉冲信号时间延迟的特性会发生改变，通过分析时间延迟特性，可以得到被测结构沉降量大小。超声波脉冲信号对光纤超声波传感器4的透射光信号强度产生调制，通过光电探测器5探测透射光信号，其输出的电流信号由数据采集卡6进行采集，然后由信号分析及处理装置7对信号进行时域特性分析，通过换算可得到被测结构沉降信息。最后通过软件在电脑显示装置8上显示测试结果，以实现在线实时监测。
如果需要更多测量点，可在分束器2的不同通道并联多个波长不同的光纤超声波传感器以实现分布式沉降监测，具体连接方式如图3所示，也可以通过光开关、波分复用器、多芯光缆等器件代替分束器2实现并联的分布式沉降监测。
实施例二：
反射式传感系统，如图4所示，传感光源1发射出连续光信号，进入2×2光纤耦合器11后分为2路，其中一路经传输光缆3进入光纤超声波传感器4，光纤超声波传感器4置于被测建筑物。超声波脉冲发生器9置于无沉降参考点。当由脉冲发生器控制单元10控制的超声波脉冲从参考点超声波脉冲发生器9发射并传输至光纤超声波传感器4，光纤超声波传感器4所探测到的超声波脉冲信号与脉冲发生时刻相比，会产生相应的时间延迟，如果被测结构发生沉降，则光纤传感器所测超声波脉冲信号时间延迟的特性会发生改变，通过分析时间延迟特性，可以得到被测结构沉降量大小。超声波脉冲信号对光纤超声波传感器4的光信号强度产生调制，光信号经反射器12反射后从光纤耦合器11进入光电探测器5，通过光电探测器5探测反射光信号，其输出的电流信号由数据采集卡6进行采集，然后由信号分析及处理装置7对信号进行时域特性分析，通过换算可得到被测结构沉降信息。最后通过软件在电脑显示装置8上显示测试结果，以实现在线实时监测。
如果需要更多测量点，可在光纤耦合器11第二个输出端口串联第二组耦合器+光纤超声波传感器+光纤反射镜结构，以此类推，如图5所示，以实现串联形式的分布式沉降监测，其中反射器12可以是光纤反射镜或光纤光栅。也可以通过光开关、波分复用器、多芯光缆等器件代替光纤耦合器11实现串联的分布式沉降监测。
Claims (5)
1.一种基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：包括超声波脉冲发射器、光纤分束器、脉冲发生器控制单元、光纤超声波传感器、传输光缆、传感光源、光纤分束器及信号解调与分析单元；光纤超声波传感器结构为由一段大芯径光纤两端分别熔接两段单模光纤构成的单模光纤-大芯径光纤-单模光纤型；所述传感光源通过传输光纤与分束器输入端连接，分束器的输出端与光纤超声波传感器的输入端连接，光纤超声波传感器输出端通过传输光缆与信号解调与分析单元连接；所述脉冲发生器控制单元分别与信号解调与分析单元及超声波脉冲发生器相连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：信号解调与分析单元由光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理装置和电脑显示装置依此串联组成，所述脉冲发生器控制单元连接至所述的数据采集卡的输入端；光纤超声波传感器输出端与所述的光电探测器输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：在所述的分束器和信号解调与分析单元之间并联有两个以上的所述光纤超声波传感器。
4.一种基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：包括超声波脉冲发射器、光纤反射器、脉冲发生器控制单元、光纤超声波传感器、传输光缆、传感光源、信号解调与分析单元以及光纤耦合器组成；光纤超声波传感器结构为由一段大芯径光纤两端分别熔接两段单模光纤构成的单模光纤-大芯径光纤-单模光纤型；所述的光纤耦合器为两个输入端和两个输出端的2×2光纤耦合器；传感光源发出的宽带光通过2×2光纤耦合器的其中一个输入端后分为两路，光纤耦合器第一输出端通过传输光缆连接光纤超声波传感器的输入端，光纤超声波传感器输出端连接光纤反射器，光纤耦合器第二输出端连接信号解调与分析单元的输入端，所述脉冲发生器控制单元分别与信号解调与分析单元及超声波脉冲发生器相连接。
5.根据权利要求4所述的基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统，其特征在于：信号解调与分析单元由光电探测器、数据采集卡、信号分析及处理装置和电脑显示装置依此串联组成，所述脉冲发生器控制单元连接至所述的数据采集卡的输入端；光纤耦合器第二输出端与所述的光电探测器输入端连接。
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| CN104467984A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-03-25 | 电子科技大学 | 一种分布式光纤声波通信方法及装置 |
| CN106017413A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-10-12 | 重庆梅安森科技股份有限公司 | 一种岩层沉降监测预警系统 |
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