CN209264013U - 基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；综合管廊内分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，各传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的健康监测。本实用新型集传感器、计算机、通信、网络等高新技术于一体，功能强大，能真正长期用于地下综合管廊结构损伤和状态评估，满足地下综合管廊运维管理的需要。

Description

基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤光栅的智能地下综合管廊健康监测系统，属于城市地下管道综合走廊的监控管理技术领域。

背景技术

城市地下管道综合走廊，简称为“综合管廊”或“共同沟”，是指将设置在地面、地下或架空的各类公用类管线集中容纳于一体，并留有供检修人员行走通道的隧道结构。即在城市地下建造一个隧道空间，将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、设计、建设和管理，彻底改变以往各个管道各自建设、各自管理的零乱局面。各管线需要开通时，只需通知有关负责部门，接通接口即可，既便于修理，又节省了国家的资源。

由于共同沟将各类管线均集中设置在一条隧道内，消除了通讯、电力等系统在城市上空布下的道道蛛网及地面上竖立的电线杆、高压塔等，避免了路面的反复开挖、降低了路面的维护保养费用、确保了道路交通功能的充分发挥。同时道路的附属设施集中设置于共同沟内，使得道路的地下空间得到综合利用，腾出了大量宝贵的城市地面空间，增强道路空间的有效利用，并且可以美化城市环境，创造良好的市民生活环境。综合管廊的标准断面如图1所示。

由于综合管廊通常长度较长，在具体建设过程中往往需要设置伸缩缝、沉降缝，甚至采用预制拼接方法进行施工。管廊拼接处通常为薄弱位置，在环境荷载作用下可能会出现混凝土开裂、不均匀沉降、水平错动等诸多问题。这些问题不仅会严重削弱混凝土管廊的适用性和耐久性，还会对管廊内附属的各类管道造成不良影响。因此，有必要对混凝土管廊及附属管道进行结构健康监测，确保其安全稳定运行。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何对综合管廊进行结构健康监测，确保其安全稳定运行。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内相应位置分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备连接各传感器；

分布式多类传感器同步采集设备实时采集各传感器的数据，并发送至上位机，同时接收上位机的命令进行相应的数据采集，实现综合管廊的混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测、混凝土管廊沉降监测、混凝土管廊水平位移监测、自来水管道法兰裂缝监测。

优选地，所述分布式多类传感器同步采集设备包括可编程逻辑门阵列FPGA，FPGA连接加速度模块、电压模块、电流模块、数字I/O模块、RS485通信模块，实时控制器连接FPGA和上位机；

FPGA分别采集各传感器输出的加速度、电压、电流和数字I/O信号，进行分析处理，将采集或分析处理后的数据经写入FIFO数据缓冲器中；实时控制器通过FIFO读取FPGA传输来的数据，读取并实时处理时钟同步信号和绝对时间戳以实现设备间同步采集，按照数据类型在内存中建立缓存池，实时的以“先入先出”机制将采集或分析处理后的数据通过TCP/IP协议发送至上位机，接收上位机命令并通过FPGA控制数据采集参数；上位机实现人机界面的交互，显示并存储实时采样数据，通过逻辑命令控制设备的数据采集参数。

更优选地，系统采用24小时不间断连续自动存储方式，当日期变化时，便建立新的数据文件，所有存储触发都由系统自动识别完成；

系统为数据存储路径做了特别设计，除用户指定的基本存储路径外，系统还按年-月-日-系统时间的顺序逐级建立子目录，保证文件不会被覆盖和重名，同时也方便用户在海量数据文件中调用需要的文件；

针对电流、电压及位移传感器，采集频率为1赫兹，采用24小时不间断数据存储；针对加速度传感器，采用触发式数据存储方式：即预先设定一个对结构有意义的预值，如果超过预值，立即存储，如果低于预值，便挂起存储进程。

更优选地，上位机对所采集的数据进行分析处理，形成可视化的图表，在人机界面上形象地反应综合管廊的结构安全状态；同时系统每天以E-mail电子邮件的方式自动发送生成的报表文件，实现高度自动化的实时监测；

上位机的人机界面通过三维模型动态显示目前结构的健康安全状态，通过颜色的深浅变化来反映关键部位的运行状态；

上位机的人机界面上还配置多个结构安全指示灯，当综合管廊结构某一部位发生危险时，该指示灯显示为红色，表示结构处于危险状态，需要启动相应的应急预案；同时通过手机短信和E-mail电子邮件的方式发送报警信息，保证重要报警信息的及时性。

优选地，混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测时，采用低温敏型光纤光栅应变传感器，跨接布置在拼接缝处两侧的混凝土管廊上，通过采集拼接缝处的应变，判断拼接缝处是否出现纵向裂缝。

更优选地，所述混凝土管廊的每一断面布置8个低温敏型光纤光栅应变传感器，分别位于矩形断面的四个顶角及四条边的中点处。

优选地，混凝土管廊沉降监测时，采用多台光纤光栅静力水准仪，包括：作为基准设备的基准光纤光栅静力水准仪，以及作为监测设备的监测光纤光栅静力水准仪；多台光纤光栅静力水准仪沿综合管廊走向布置，通过光纤光栅静力水准传感器实时监测管廊沉降的变化量。

优选地，混凝土管廊水平位移监测时，在相邻的两段混凝土管廊的拼接缝处布置光纤光栅位移传感器，监测相邻的两段混凝土管廊是否在水平向出现相对位移。

更优选地，混凝土管廊水平位移监测的具体方法如下：将位移转接板一端固定在左侧的混凝土管廊的管壁上，位移转接板另一端跨过相邻两段混凝土管廊的拼接缝，延伸至右侧的混凝土管廊内；在右侧混凝土管廊的相应位置安装位移传感器，通过测量位移转接板与右侧混凝土管廊的相对距离，得到混凝土管廊的水平位移。

优选地，自来水管道法兰裂缝监测时，采用光纤光栅应变传感器；两侧的自来水管道的法兰处通过螺栓连接，光纤光栅应变传感器固定在所述螺栓上。

本实用新型将光纤光栅技术、结构健康监测与物联网结构体系、云计算、局域网、通讯网等多网无缝连接技术结合，建立了一套智能地下综合管廊健康监测系统，为地下综合管廊日常养护、管理和突发事件应急处置发挥了重大作用。基于云计算服务中心的监测系统可容纳上万公里地下综合管廊的监测数据，形成区域性地下综合管廊健康监测平台，实现区域内的所有地下综合管廊的统一监控管理。

本实用新型提供的综合管廊健康监测系统集传感器技术、结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术等高新技术于一体，功能强大，能真正长期用于地下综合管廊结构损伤和状态评估，满足地下综合管廊运维管理的需要。

附图说明

图1为综合管廊的标准断面示意图；

图2为光纤光栅的结构示意图；

图3为光纤光栅传感器的原理示意图；

图4为分布式多类传感器同步采集设备硬件系统原理图；

图5为光纤光栅应变传感器原理图；

图6为光纤光栅应变传感器封装形式示意图；

图7为传感器安装支座示意图；

图8光纤光栅应变传感器布设平面图；

图9光纤光栅应变传感器布设断面图；

图10为水平位移监测示意图；

图11为自来水管法兰处裂缝监测光纤光栅传感器布设示意图；

图12为平面用加持底座示意图；

图13为圆弧表面加持底座示意图；

图14为系统布线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

一、光纤光栅技术

光纤光栅就是一段光纤，其结构如图2所示。光纤的纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论：λ_B＝2nΛ，其中，λ_B为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率。波长为λ_B的波长就被光纤光栅所反射回去。

反射的中心波长信号λ_B与光栅周期Λ及纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力以及磁场改变都会导致反射的中心波长变化。也就是说，光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅传感器的原理结构如图3所示，包括：宽谱光源(如SLED或ASE)将有一定带宽的光通过环行器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过环行器送入解调装置，测出光纤光栅的反射波长变化。当光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度、压力或应力。

光纤光栅传感器具有如下优点：

(1)传感器体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性好，可重复使用；

(2)与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接，光谱特性好，低损耗、可靠性高；

(3)具有绝缘性，不影响待测结构，同时具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；

(4)一根光纤可以串联多个光纤光栅传感器，由其构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式测量；

(5)传感器灵敏度高、分辨率大。

本实施例中主要涉及的传感器有：

(1)应力应变监测传感器：低温敏型光纤光栅应变传感器；

(2)位移传感器：光纤光栅位移传感器；

(3)静力水准仪：光纤光栅静力水准仪。

二、系统体系结构

1、硬件系统

本实施例采用分布式多类传感器同步采集设备，其硬件系统原理图如图4所示。

(1)加速度、电压、电流、数字I/O模块：分别采集相应传感器输出的加速度、电压、电流和数字I/O信号。分布式多类传感器同步采集设备采用工业级数据采集I/O模块实现高稳定性、高精度的数据采集功能；

(2)RS485通信模块：分布式多类传感器同步采集设备采用基于RS485通信协议的模块实现与其他系统的通信功能；

(3)可编程逻辑门阵列(FPGA)：配置以及使用定时同步while循环读取数据采集模块，从而实现通道间同步采集功能，通过基于FPGA的实时信号滤波、频域计算和传感器信号阈值触发算法实现对传感器信号的实时分析，将采集到的数据和分析后的信号写入FIFO数据缓冲器中；

(4)实时控制器：通过FIFO读取FPGA传输来的数据，读取并实时处理时钟同步信号和绝对时间戳以实现设备间同步采集，按照数据类型在内存中建立缓存池，实时的以“先入先出”机制将采集或分析处理后的数据通过TCP/IP协议发送至PC上位机，接收上位机命令并通过FPGA控制模块的数据采集参数；

(5)上位机：实现人机界面的交互，显示并存储实时采样数据，通过逻辑命令控制仪器的数据采集参数。

2、软件系统

(1)多信号实时同步采集

该系统在一台数据采集设备中同时使用电流测量模块、电压测量模块、加速度测量模块、位移测量模块等采集电流、电压、加速度、位移等信号，在上位机中同时同步显示这几种信号，实现随时调用目标传感器。

(2)数据自动存储功能

该系统的数据存储方式与以往相比具有较大不同，改变了以往人为操作触发存储的方式，采用24小时不间断连续自动存储方式，当日期变化时，便建立新的数据文件，所有存储触发都由系统自动识别完成。

该系统为数据存储路径做了特别设计，除用户指定的基本存储路径外，系统将按年-月-日-系统时间的顺序逐级建立子目录，保证文件不会被覆盖和重名，同时也方便用户在海量数据文件中调用需要的文件。

针对应力应变监测传感器、位移传感器、静力水准仪三种不同类型的传感器，设计了两种不同的数据存储方式。电流、电压及位移传感器采用低速采集，采集频率为1赫兹，如果长期监测，产生的数据文件并不会占用太大的磁盘空间，因此采用24小时不间断数据存储；加速度传感器采集频率高，产生庞大的数据文件，对磁盘空间造成很大压力，而对结构真有意义的是振动信号，因此，为加速度传感器的数据文件存储设计了触发式数据存储方式：即预先设定一个对结构有意义的预值，如果超过预值，立即存储，如果低于预值，便挂起存储进程。

(3)自动生成报表功能

针对监测系统的需要，为本系统具备自动生成报表功能，日期发生改变时，自动建立excel报表文件。文件中加入了分析算法，自动分析数据，形成可视化的图表，形象的反应结构安全状态。系统每天会以E-mail电子邮件的方式自动发送生成的报表文件，实现高度自动化的实时监测。

(4)多途径自动报警功能

系统软件界面上配置多个结构安全指示灯，当结构某一部位发生危险时，该指示灯显示为红色，表示结构处于危险状态，需要启动相应的应急预案。该指示灯能正确表征结构发生危险的部位，对结构的维护、加固、抢修具有指导意义。报警信息通过手机短信和E-mail电子邮件的方式发送，保证了重要报警信息的及时性。

(5)三维模型动态显示功能

在监测系统的人机交互界面中加入了三维模型的动态显示功能，通过颜色的深浅变化来反映关键部位的运行状态，从而更加形象的反映了目前结构的健康安全状态，利用三维模型的动态显示功能还可以对模型进行移动、缩放、旋转操作，增加了系统的可视化程度。

(6)基于云计算的数据监测平台

分布式多类传感器同步采集设备的通信接口基于TCP/IP协议，可利用公网的有线通信方式或4G LTE宽带无线技术实现远程的数据传输及设备控制功能。利用分布式多类传感器同步采集设备可以建设基于云计算平台的新一代数据中心。基于云计算的数据中心将改变模式单一、重复建设、各自为阵的状态，消除异构化传感数据之间障碍，实时动态的监测数据，最终实现归一化管理。

三、综合管廊健康监测系统

采用预制拼接工艺的地下综合管廊，混凝土管廊的拼接缝处为薄弱位置。在周边环境的各类荷载作用下(如周边土体沉降、开挖、打桩等)，该位置可能出现竖向裂缝、不均匀沉降和水平向的错动。此外，混凝土管廊的沉降和水平位移可能引起附属管道的变形。自来水管道通常固定在混凝土管廊上。当混凝土管廊变形时，自来水管道相应产生较大变形，在法兰连接处会出现应变较大，可能出现裂缝。

为收集、反馈和分析综合管廊及内部管道的结构信息，确保其功能完好、安全可靠，针对如下四个方面进行结构健康监测：

(1)混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测。

(2)混凝土管廊沉降监测。

(3)混凝土管廊水平位移监测。

(4)自来水管道法兰裂缝监测。

1)混凝土管壁拼接缝处裂缝监测

拼接缝处为预制拼接管廊的薄弱部位。在温度变化、不均匀沉降等环境作用下，拼接缝部位可能出现裂缝，影响综合管廊的安全性、适用性和耐久性。针对管廊拼接缝处的裂缝监测，采用低温敏型长标距光纤光栅(FBG)应变传感器，跨接布置在拼接缝处两侧的混凝土管廊上。由于采用低温敏型传感器，不需要进行温度补偿。

A、光纤光栅应变传感器测量原理

充分考虑综合管廊监测结构在服役阶段的环境条件，对于长期监测采用光纤光栅传感器；该传感器基于一种光纤光栅应变增/减灵敏度的封装机制，采用适合综合管廊的封装工艺有效的消除了胶粘剂对传感器应变传递的影响；通过调节封装工艺中的参数，可以改变传感器的应变灵敏度系数；同时兼有细径管保护式和夹持式的优点，既可以直接埋入结构中，也可以通过辅助构件构成夹持式传感器。

两端夹持式光纤光栅应变传感器的原理如图5所示。图5中，夹持部件1将光纤光栅2固定在支点3之间。夹持部件1与光纤光栅2之间用粘接剂固定(忽略粘接剂与光纤光栅之间的作用)。夹持部件1所选用的材料为空心钢管，直径为d；设两端的夹持部件1的支点3之间的距离为L，夹持部件1内侧之间的距离为L_f；当整个机构受到外力作用时，机构整体会发生变形，设两端的夹持部件的支点之间的轴向变形为ΔL，ΔL由两部分组成，分别为夹持部件的轴向变形ΔL_s和两端夹持部件内侧距离的轴向变形ΔL_f，根据材料力学基本原理和假设计算，得到的结果是钢管的应变远远小于光纤光栅的应变，因此可认为在整个光纤光栅传感器的结构中，可以忽略夹持部件的应变。夹持部件支点之间产生的形变主要是由光纤的形变引起的。对于相同的应变变化，L_f与L的比值决定了光纤光栅传感器中心波长变化的范围，也就是通常所说的传感器灵敏度，调整传感器灵敏度的方法可以通过改变L_f与L比值的方式实现。

光纤光栅应变传感器主要参数指标如表1所示：

表1光纤光栅应变传感器主要技术指标

B、光纤光栅应变传感器设计

低温敏型传感器受温度影响特性小：光纤光栅能够随着温度变化自由延伸，不受封装工艺的影响，最大限度消除温度带来的光栅参数变化影响。采用符合管廊应用环境的封装工艺有效的消除了胶粘剂对传感器应变传递的影响；通过调节封装工艺中的参数，可以改变传感器的应变灵敏度系数；同时兼有细径管保护式和夹持式的优点，既可以直接埋入结构中，也可以通过辅助构件构成夹持式传感器。

管廊拼接缝部位如产生裂缝，其形变量相对较大，为此对应变传感器采用减敏机制进行设计封装，以满足监测需求。

光纤光栅应变传感器封装形式及传感器安装支座分别如图6和图7所示。

C、光纤光栅应变传感器布置方法

光纤光栅应变传感器A将布置在两个混凝土管廊G的拼接缝B两侧，如图8所示。当拼接缝B处应变较大时，可能出现纵向裂缝C。纵向裂缝C大小与此处应变相关。光纤光栅传感器通过采集此处应变可以得到纵向裂缝信息。由于采用低温敏型应变传感器，因此不需要进行温度补偿。

由于混凝土管廊尺寸较大，裂缝可能出现在断面上的任意位置，而且管廊四角处容易出现应力集中，因此在混凝土管廊G的每一断面布置8个光纤光栅传感器A，如图9所示，分别位于四个顶角及四条边的中点处。

2)混凝土管廊沉降监测

混凝土管廊沉降监测采用一种基于光纤光栅静力水准的沉降监测系统，系统包括：多台光纤光栅静力水准仪以及基站监控设备；多台光纤光栅静力水准仪包括：作为基准设备的基准光纤光栅静力水准仪，以及作为监测设备的监测光纤光栅静力水准仪；多台光纤光栅静力水准仪，沿管廊走向合理布置，通过光纤光栅静力水准传感器实时监测管廊沉降的变化量。

A、光纤光栅静力水准传感器测量原理

光纤光栅静力水准仪是测量两点或多点之间的差异沉降变化的高智能型工程测试仪器，是位移传感器的其中一种；静力水准仪是由一系列智能液位传感器及储液罐组成，储液罐之间由连通管连通。基准罐置于一个稳定的水平基点，其他储液罐置于标高大致相同的不同位置，当其他储液罐相对于基准罐发生升降时，将引起该罐内液面的上升或下降。通过测量液位的变化，了解被测点相对水平基点的升降变形。

B、光纤光栅静力水准传感器布置方法

预制管廊标准单元为20米一联，每联的整体性较好，因此每联设置一个光纤光栅静力水准仪以满足监测沉降的需求。

3)、混凝土管廊水平位移监测

相邻的两段混凝土管廊可能在水平向出现相对位移。因此将在拼接缝处布置光纤光栅位移传感器监测水平位移。

A、光纤光栅位移传感器测量原理

光纤光栅位移传感器用于测量各种结构间的相对位移，也可用于实时监测裂缝的张开与闭合，适用于各种隧道管片接缝、水坝坝体位移、土壤沉降、岩石、山体、边坡监测等。安装时将传感器和探头分别固定在移动物体和参考物体上。既可以进行长期监测，又可以作短期监测。该传感器可以重复使用，具有精度高、灵敏度高、寿命长等优点，可方便地与其他光纤光栅传感器一起组成全光监测网。光纤光栅位移传感器基于一种光纤光栅应变增/减灵敏度的封装机制，采用独特封装工艺有效的消除了其他材料对传感器应变传递的影响；通过调节封装工艺中的参数，可以改变传感器的位移量。

光纤光栅位移传感器特点如下：

(1)无弹簧工作机制，有效解决无损耗应变传递机制；

(2)可根据工程需求灵活定制量程、分辨率和规格尺寸；

(3)用于工程结构表面安装时可重复利用；

(4)通过传感器支座可焊接或胶粘接在工程结构表面；

(5)可根据工程需求灵活定制不同形状的传感器支座。

光纤光栅位移传感器主要参数指标如表2所示：

表2光纤光栅位移传感器主要技术指标

B、光纤光栅位移传感器布置方法

位移传感器M将布置在拼接缝B两侧，如图10所示。位移转接板N一端固定在左侧的混凝土管廊G的管壁上，另一端跨过拼接缝B，延伸至右侧的混凝土管廊G内。在右侧管廊的相应位置将安装位移传感器M。通过测量位移转接板N与右侧混凝土管廊的相对距离，可以得到混凝土管廊的水平位移。

4)自来水管道法兰裂缝监测

对于自来水管道法兰处裂缝的监测同样采用光纤光栅应变传感器。

如图11所示，两侧的自来水管道S的法兰F处通过螺栓E连接，传感器A将固定在螺栓E上，如图11所示。

5)施工工艺

光纤光栅传感器、加速度传感器为精密传感器，如现场环境恶劣以及安装保护措施不到位，将会严重破坏传感器及信号传输线缆，最终导致传感系统失效。光纤本身抗剪性能较差，出现较大弯折后信号衰减明显，光缆破坏后熔接操作难度大，因此要求制定适合在光纤光栅传感器的布置安装和光缆敷设方面合理有效的施工工艺来约束施工方法，保护传感系统，确保传感系统健康稳定运行。光纤光栅传感器安装施工特点如下：

(1)光纤光栅传感系统与传统传感系统相比，工程造价更低。光纤所用材质为玻璃纤维，不含金属成分，因此光缆价格比普通电缆价格更具优势。

(2)施工简单高效。光纤光栅传感器的固定方法灵活，可适用于多种情况的钢结构健康监测。光纤光栅传感器的固定方法有：

1、粘接，直接粘结在结构表面；

2、夹持粘接，通过夹持装置粘结在结构表面；

3、夹持焊接，通过夹持装置焊接在结构表面。传感器夹持装置可以根据不同需求采用不同的材质和形状。光缆重量轻，传输信号损耗小，布线施工方便灵活，施工成本低。结构健康监测中的传感器安装和线路敷设与弱电施工有所不同，存在交叉施工的现象，因此需要对光纤光栅传感器和线路进行保护。施工工艺采用必要的措施对传感器和线路进行保护，有效避免了传感器和线路的意外损坏。

(3)低能耗、无污染。光纤光栅传感器无须电力驱动，信号由采集设备发出，并由采集设备进行解调，设备运行功率低至20W。安装传感器夹持底座时，如需焊接，则可以采用普通焊接设备，焊接工艺操作简单易行，功耗低。传感系统施工过程噪音低，不会产生粉尘或有害气体，不会对环境造成污染。光纤光栅传感信号采集系统体积小，布置灵活，节约空间。

A传感器安装

根据光纤光栅传感器的特点、监测周期和待测结构的表面特性选择合适的安装方式。光纤光栅传感器的安装方式分为粘接和焊接，两种方法都是借助于传感器夹持底座来固定传感器。在短期监测和结构表面不允许焊接的情况下选择粘接，在钢结构表面允许焊接的情况下优先选择焊接，以保证焊接的夹持底座更耐久，所测的数据更精确。

钢结构的组成构件可以分为梁、板、柱以及杆件，结构表面的几何形状分为弧面和平面两种。若将传感器固定在不统一的钢结构表面上需要借助不同的传感器夹持底座，如图11～12所示，将传感器夹持底座5设于钢结构表面上，传感器通过传感器夹持块固定于传感器夹持底座5上，并通过上盖4固定。钢结构圆弧表面弧度并不一致，通过改变传感器夹持底座5底部弧面的半径R来适应不同钢结构圆弧表面的要求。

光纤光栅传感器安装要点：

(1)传感器夹持装置底座4和上盖4的制作需要选择精度高的线切割加工，保证加工精度。传感器夹持块的制作需要预留装配间隙，将传感器夹紧。设计传感器夹持装置时，充分考虑装配公差。夹持块采用45#钢，其强度、硬度和可加工性非常适合夹持块的制作。焊接夹持块时，需要控制焊接变形，保证同轴度公差小于0.02。传感器底座现场焊接采用手工电弧焊，采用三角焊缝焊接，焊缝为三级(外观等级为二级)。

(2)定制光缆通常选用成品光纤线缆。根据现场实际情况和监测方案制定光缆长度和规格，由工厂进行加工和光纤接头制作。由于现场施工环境和条件有限，为确保光缆质量，尽量避免现场临时焊接光纤接头。

(3)光纤光栅传感器安装：将应变传感器预拉伸到统一数值后夹紧，拉紧力度通过传感器应变值和砝码双重验证和控制。将传感器接入采集设备，对其施加统一的预拉紧力，预拉紧力由砝码控制，监测传感器应变，精确控制预拉紧力和传感器应变变化。预拉紧力达到设计要求时，采用夹紧装置将传感器夹紧，撤去外力(砝码)观察应变值是否不变，否则认为夹紧失效，应重复预拉伸操作。无条件精确控制情况下，同样可以采用手动预拉伸后夹紧的简单操作，可按一个鸡蛋的重量(0.5牛)的力度控制即可。将预拉伸后并夹紧的传感器安装在夹持底座上，夹持底座的焊接距离以及弧面的同轴度要求精确控制，保证传感器顺利的安装。传感器为精密仪器，撤去夹持装置时，避免对传感器和夹持装置施加太大的外力，安装过程注意对传感器进行保护。

(7)焊接传感器夹持装置的关键点是需要保证两个夹持块中心线的同轴度和间距。为保证连接夹持块中心线的同轴度和间距，设计了高强度的夹持底座定位装置。将该装置与夹持块装配完成后，焊接或者粘接在结构表面。

(8)传感器保护：针对现场复杂的施工条件，设计了传感器保护盒，将其安装在传感器上方，保护传感器免受外界伤害同时也可以把留余的光纤安置在内。

(9)分支光纤敷设采用穿线管对线缆进行保护。穿线管采用铝塑PPR管，其强度和韧性能够满足穿线需求，能够抵抗施工过程中的碰撞、拉伸和弯折，同时可以随意弯曲便于敷设光纤时绕过障碍物，其造价合理，成本控制压力相对合理。铝塑PPR管与传统的穿线铁管和波纹管相比，铁管虽然强度高，可抵挡交叉施工过程的破坏，但弯曲困难，遇到障碍物时绕行方案复杂，接头部位容易使光纤弯折过大，价格也相对较高。波纹管虽然可弯曲且价格低廉，但其强度低，容易损坏。总光缆通常采用两端封装的多芯光缆，总光缆敷设时，不应在线槽内拖行，要将光缆按顺序放入线缆桥架中，拖行会使端头受力过大从而损坏光纤和端头的封装。

B综合布线

系统应用的线缆先测量精准的使用长度，然后让生产厂家定做加工，减轻现场焊接和制作接头的难度，确保线缆的质量。线缆长度要精确测量，并留有一定的余量，防止突发情况导致线缆长度不够。通讯线缆的敷设为分支光纤敷设以及汇总的线缆敷设。系统布线示意图如图14所示。

本实施例提供的综合管廊健康监测系统具备实用性、可靠性、可操作性、易维护性、完整性和可扩容性等优点，其主要特点如下：

1)简洁、实用、性能可靠、经济合理。

2)系统满足综合管廊运维的需要，实用性强。

3)根据结构易损性分析的结果及运维管理的需求进行监测点的布设。

4)监测与结构安全性密切相关内容。主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测的重要结构以及日常无法检查或检查非常困难的结构响应。

5)从动力、静力、耐久性对结构进行监测，采用最少的传感器和最少的数据量完成管廊健康监测工作。

本实施例针对采用预制拼接工艺的管廊及附属管道的裂缝、沉降、水平位移等问题提出一整套监测方案。目前，该系统已经在上海世博园内综合管廊进行试运行，在运营的这段时间里，成果非常理想，已经获得上海世博管廊运维单位的认可。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：包括分布式多类传感器同步采集设备，上位机连接分布式多类传感器同步采集设备；在综合管廊内相应位置分别设置用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器、用于混凝土管廊沉降监测的传感器、用于混凝土管廊水平位移监测的传感器、用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器，所述传感器均为光纤光栅传感器；分布式多类传感器同步采集设备连接各传感器。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述分布式多类传感器同步采集设备包括可编程逻辑门阵列FPGA，FPGA连接加速度模块、电压模块、电流模块、数字I/O模块、RS485通信模块，实时控制器连接FPGA和上位机。

3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述用于混凝土管廊拼接缝部位裂缝监测的传感器为低温敏型光纤光栅应变传感器，低温敏型光纤光栅应变传感器跨接布置在拼接缝处两侧的混凝土管廊上。

4.如权利要求3所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述混凝土管廊的每一断面布置8个所述低温敏型光纤光栅应变传感器，分别位于矩形断面的四个顶角及四条边的中点处。

5.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：还包括用于实时监测综合管廊沉降的变化量的多台光纤光栅静力水准仪，多台光纤光栅静力水准仪沿综合管廊走向布置。

6.如权利要求5所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述光纤光栅静力水准仪包括：作为基准设备的基准光纤光栅静力水准仪，以及作为监测设备的监测光纤光栅静力水准仪。

7.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述用于混凝土管廊水平位移监测的传感器为光纤光栅位移传感器，光纤光栅位移传感器位于相邻的两段混凝土管廊的拼接缝处布置。

8.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的综合管廊健康监测系统，其特征在于：所述用于自来水管道法兰裂缝监测的传感器为光纤光栅应变传感器；两侧的自来水管道的法兰处通过螺栓连接，光纤光栅应变传感器固定在所述螺栓上。