CN219319445U

CN219319445U - 一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置

Info

Publication number: CN219319445U
Application number: CN202320641337.5U
Authority: CN
Inventors: 刘屺阳; 耿江玮; 王阳
Original assignee: Gansu Academy Of Transportation Sciences Group Co ltd
Current assignee: Gansu Academy Of Transportation Sciences Group Co ltd
Priority date: 2023-03-28
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2033-03-28

Abstract

本实用新型公开了一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，属于梁健康监测技术领域，以解决桥梁监测系统安装繁琐、精度不稳定的问题。装置包括光栅光纤阵列传感光缆、数据采集发送模块；光栅光纤阵列传感光缆由内到外由传感内芯、金属铠甲、HDPE外护套组成；传感内芯与金属铠甲之间设有温度补偿装置，光栅光纤阵列传感光缆中设有多组传感器光栅阵列，多个光栅光纤阵列传感光缆阵列式分布在桥梁面上且与桥面行车道垂直，光栅光纤阵列传感光缆端部均设有光栅光纤接线端子，光栅光纤接线端子与数据采集发送模块连接。本实用新型所有采集及分析装置均采用光信号通路，抗干扰性较强，称重精度不受桥面电磁环境变化影响，便于安装及推广应用。

Description

一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置

技术领域

本实用新型属于梁健康监测技术领域，具体涉及一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置。

背景技术

随着我国桥梁建设及运营规模的持续增长，部分桥梁已进入病害多发及养护维修高峰期，桥梁安全与耐久水平受到多方面关注。桥梁健康监测系统可有效开展实时监测，动态掌握桥梁运行状况，预警桥梁运行安全风险，提升桥梁监测和安全保障能力。桥梁动态称重装置作为桥梁健康监测系统的重要组成部分，对过桥车辆荷载、车速及超限情况的监测尤为重要。

现有技术中最为先进的是基于光纤光栅传感技术的桥梁监测系统，可对桥梁的众多参数进行监测，对解调数据进行分析，形成某桥梁监测数据库，用于结构健康诊断、预警、报警。该桥梁监测系统主要是由光纤光栅数据采集仪、现场监测传感器组成的动态称重结构。

但是现场监测时发现，该系统存在以下问题：

1.动态称重装置整体集成度较差，需要进行大规模对路面进行改造、封闭交通后施工，实施过程较长，影响桥梁交通通行质量。

2.传统光纤式动态称重装置均需要额外温度补偿，一般外置温度补偿传感器与实际温度变化存在差异，补偿精度受环境变化影响较大。同时外置装置容易受损，耐久性相对较差。

基于以上背景技术中的问题，技术人员提出一种阵列式光栅光纤桥梁健康监测动态称重装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，以解决桥梁监测系统安装繁琐、精度不稳定的问题。

为了解决以上问题，本实用新型技术方案为：

一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，包括光栅光纤阵列传感光缆、数据采集发送模块；光栅光纤阵列传感光缆由内到外由传感内芯、金属铠甲、HDPE外护套组成；传感内芯与金属铠甲之间设有温度补偿装置，光栅光纤阵列传感光缆中设有多组传感器光栅阵列，多个光栅光纤阵列传感光缆阵列式分布在桥梁面上且与桥面行车道垂直，光栅光纤阵列传感光缆端部均设有光栅光纤接线端子，光栅光纤接线端子与数据采集发送模块连接。

进一步的，数据采集发送模块包括互相连接的光栅光纤解调仪、工控机；光栅光纤接线端子通过多组光纤传输网线与光栅光纤解调仪连接；工控机连接有无线数据发送模块。用于向终端远程发送数据，实现实时监控。

进一步的，桥梁面层分别开设有槽型的测试区一和测试区二，测试区一和测试区二开槽中架设光栅光纤阵列传感光缆，光栅光纤阵列传感光缆被包裹在支撑密封系统中。

进一步的，光栅光纤阵列传感光缆形成的阵列在桥面行车道方向上的截面呈折线型分布，每个折点形成传感器固定节点；传感器固定节点上设有固定支架，便于固定传感器固定节点。

进一步的，测试区一和测试区二中均设有根光栅光纤阵列传感光缆且在桥面行车道方向上的截面呈菱形分布。

进一步的，支撑密封系统包括由内向外设置的光缆外护套、密封介质，光缆外护套设在光栅光纤阵列传感光缆和固定支架外层。

进一步的，金属铠甲与HDPE外护套之间设有支撑筋。

进一步的，数据采集发送模块安装在机柜中。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型利用安装在桥梁下的光栅光纤阵列传感光缆，通过光栅光纤接线端子与光栅光纤接线端子的连接实现动态称重，进而实现桥梁健康状态监测；装置整体集中度高，便于快速安装布置，无需进行大规模路面改造及交通封闭，有效减少桥梁交通中断影响；光栅光纤阵列传感光缆内部集成传感内芯及温度补偿装置，温度修正准确、长期耐久性较高。

(2)本实用新型可根据被测车辆的种类范围，调节固定支架的横向间距L与传感器固定节点的竖向高度D，确定最适合该路段通行车辆的重量测量范围及测量精度。

(3)本实用新型所有采集及分析装置均采用光信号通路，抗干扰性较强，称重精度不受桥面电磁环境变化影响，可监测桥梁应变、位移、温度、振动、沉降、倾斜、索力等诸多数据，便于安装及推广应用。

附图说明

图1为一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置的结构示意图；

图2为一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置中光栅光纤阵列传感光缆的结构示意图；

图3为一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置在桥梁下的安装位置示意图；

图4为一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置的工作状态示意图。

附图标记如下：

1-光栅光纤阵列传感光缆；10-传感内芯；11-温度补偿装置；12-金属铠甲；13-支撑筋；14-HDPE外护套；15-传感器光栅阵列；16-固定支架；2-支撑密封系统；21-光缆外护套；22-密封介质；3-数据采集发送模块；31-光纤传输网线32-光栅光纤解调仪；33-工控机；34-无线数据发送模块；4-机柜；5-桥梁；51-桥面车道线；52-桥面行车道；53-测试区一；54-测试区二；6-车辆轮胎；7-光栅光纤接线端子；8-传感器固定节点。

具体实施方式

如图1-4所示，一种阵列式光栅光纤桥梁健康监测动态称重装置，包括光栅光纤阵列传感光缆1、支撑密封系统2、数据采集发送装置3。

光栅纤阵列传感光缆1横截面为圆形，由内至外分别设有传感内芯10、温度补偿装置11，以上二者包裹在金属铠甲12中，保证温度修正效果及测量环境的一致性；继续向外设有支撑筋13，以上所有被包裹在HDPE外护套14内部，提供额外支撑刚度。

光栅光纤阵列传感光缆1沿长度方向在其中设有多组传感器光栅阵列15，相邻的传感器光栅阵列15之间均设有固定支架16，传感器光栅阵列1的端部均设有光栅光纤接线端子7，所述光栅光纤接线端子7用来与数据采集发送模块3连接。

本实施例中，光栅光纤阵列传感光缆1为两根，这两根光栅光纤阵列传感光缆1在长度平面上呈阵列式、截面方向呈菱形布置，交错处形成传感器固定节点8，该传感器固定节点8上设有固定支架16。

通过调节固定支架16的横向间距L及传感器固定节点8的竖向高度D，可以确定更适合桥梁通行车辆重量的测量范围及测量精度。

传感器支撑密封系统2由内向外设置的光缆外护套21、密封介质22组成，所述光缆外护套21设在光栅光纤阵列传感光缆1和固定支架16外层。保证传感与温度补偿的环境密封且抗干扰。

光栅光纤阵列传感光缆1与支撑密封系统2在分布在桥梁5面上且与桥面行车道52垂直，即沿桥长方向布置，本实施例中布置2对，形成测试区一21及测试区二22。

数据采集发送模块3包括互相连接的光栅光纤解调仪32、工控机33；光栅光纤接线端子7通过多组光纤传输网线31与光栅光纤解调仪32连接；工控机33连接有无线数据发送模块34，用于向终端远程发送数据，实现实时监控。

本实用新型工作中包括以下步骤：

1.组合封装

按前述光栅光纤阵列传感光缆1的结构对其进行组合封装。

2.桥面布置及支撑密封安装

在桥头桥面位置开设槽型的测试区一53和测试区二54，测试区一53和测试区二54中架设光栅光纤阵列传感光缆1，光栅光纤阵列传感光缆1被包裹在支撑密封系统2中。

以上两个测试区桥向跨越所有行车道，安装时注意本实用新型与路面结合的平整度及最大间隙。

在开好的槽中先安装传感器支撑封装2的光缆外护套21，再将光栅光纤阵列传感光缆1用传感光缆固定支架6固定，形成传感器固定节点8，使得每个开槽中安装两根光栅光纤阵列传感光缆1，且传感器固定节点8沿长度平面上呈阵列式、截面方向呈菱形布置，固定完成后，灌注密封介质22，测试环境密封及抗干扰性。

3.线路及设备连接

光栅光纤接线端子7引出后形成光纤传输网线15，与设在机柜4中的数据采集发送装置3连接，实现数据采集与发送。

4.动态称重装置标定

本实用新型投入使用前，需要通过标准的计量测试工具对其输入-输出关系进行标定。同时该标定还能够确定其灵敏度、重复性、线性度、蠕变、迟滞等静态指标。静态标定完成后在桥面现场进行测试，采用固定重量及行车速度的车辆确定动态称重精度及称重效率。

5.动态称重装置称重计算

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数计算温度与应变。

当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时，将引起光栅有效折射率和光栅周期的相应改变，从而导致λ_B的漂移。检测λ_B的漂移，即可得知被测物理量的信息。温度和应力的变化所引起的λ_B的漂移可表示为：

式中：

λ_B—FBG波长；

Λ—光栅周期；

ε—应力；

p_ij—光压系数；

υ—泊松比；

α—热胀系数；

ΔT—温度变化量。

需要说明的是，各传感器及电器元件具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。

光栅光纤解调仪、工控机、无线数据发送装置的信号传输及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。

Claims

1.一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，包括光栅光纤阵列传感光缆（1）、数据采集发送模块（3）；所述光栅光纤阵列传感光缆（1）由内到外由传感内芯（10）、金属铠甲（12）、HDPE外护套（14）组成；其特征在于：所述传感内芯（10）与金属铠甲（12）之间设有温度补偿装置（11），所述光栅光纤阵列传感光缆（1）中设有多组传感器光栅阵列（15），多个所述光栅光纤阵列传感光缆（1）阵列式分布在桥梁（5）面上且与桥面行车道（52）垂直，所述光栅光纤阵列传感光缆（1）端部均设有光栅光纤接线端子（7），所述光栅光纤接线端子（7）与数据采集发送模块（3）连接。

2.如权利要求1所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述数据采集发送模块（3）包括互相连接的光栅光纤解调仪（32）、工控机（33）；所述光栅光纤接线端子（7）通过多组光纤传输网线（31）与光栅光纤解调仪（32）连接；所述工控机（33）连接有无线数据发送模块（34）。

3.如权利要求1或2所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述桥梁（5）面层分别开设有槽型的测试区一（53）和测试区二（54），所述测试区一（53）和测试区二（54）开槽中架设光栅光纤阵列传感光缆（1），所述光栅光纤阵列传感光缆（1）被包裹在支撑密封系统（2）中。

4.如权利要求3所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述光栅光纤阵列传感光缆（1）形成的阵列在桥面行车道（52）方向上的截面呈折线型分布，每个折点形成传感器固定节点（8）；所述传感器固定节点（8）上设有固定支架（16）。

5.如权利要求4所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述测试区一（53）和测试区二（54）中均设有2根光栅光纤阵列传感光缆（1）且在桥面行车道（52）方向上的截面呈菱形分布。

6.如权利要求5所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：支撑密封系统（2）包括由内向外设置的光缆外护套（21）、密封介质（22），所述光缆外护套（21）设在光栅光纤阵列传感光缆（1）和固定支架（16）外层。

7.如权利要求1所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述金属铠甲（12）与HDPE外护套（14）之间设有支撑筋（13）。

8.如权利要求1所述的一种阵列式光栅光纤桥梁监测装置，其特征在于：所述数据采集发送模块（3）安装在机柜（4）中。