CN109374067A - 多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，包括光纤光栅传感器和控制组件；光纤光栅传感器固定在高速公路板梁待测区域表面，用于探测高速公路板梁的应力和振动情况；控制组件通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于接收、解调和存储光纤光栅传感器输出的光信号，并反馈给操作人员。本发明的一种基于多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，包括在高速公路板梁待测点固定光纤光栅传感器，解调和存储光纤光栅传感器输出的信号，监测高速公路板梁的健康状态。本发明具有抗电磁干扰、测量距离远、信号稳定性好的优点，适合在恶劣工作环境下长期工作。
Description
技术领域
本发明属于高速公路板梁健康监测领域，具体涉及一种多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统及监测方法。
背景技术
高速公路板梁的健康监测问题一直难以解决，由于高速公路的工作环境恶劣，常遇大风暴雨季节，且公路板梁在长期负载下容易出现裂纹腐蚀等危险情况，给高速公路的安全带来不少隐患。因此对高速公路板梁进行安全健康监测，避免重大事故的发生，是非常重要且必要的。现有大部分健康监测传感器仍采用传统的电子传感器，在恶劣工作环境下容易失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统及监测方法，用于监测高速公路板梁的应力和应变，在恶劣工作环境下长期工作。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器和控制组件；所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器；光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器分别设置在不同的光纤中，在一根光纤中等距设置多个光纤光栅应变传感器，在另一根光纤中以同样的方式设置光纤光栅加速度传感器；在高速公路板梁上分别选取独立的A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器的光纤和设有光纤光栅加速度传感器的光纤，每一对光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器采用增敏方式固定安装在固定底座上，固定底座固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于探测高速公路板梁的应力；光纤光栅加速度传感器固定安装在支架上，支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于探测高速公路板梁的振动情况；
所述的控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和在线监测系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；在线监测系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，利用数据处理系统存储的数据对高速公路板梁进行监测，并反馈给操作人员。
按上述方案，所述的增敏方式为使光纤光栅应变传感器的固定底座两端的距离为光纤光栅应变传感器的栅区长度的十倍，用于将光纤光栅应变传感器测得的量放大十倍，提高测量的灵敏度。
按上述方案，所述的支架为C形支架，光纤光栅加速度传感器正立固定安装在C形支架上，C形支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于减小光纤光栅加速度传感器的安装误差。
按上述方案，所述的光纤光栅传感器的尾纤接入接线盒并成束输出。
基于多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：在高速公路板梁上分别选取独立A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器的光纤和设有光纤光栅加速度传感器的光纤，每一对光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器采用增敏方式通过固定底座固定安装在高速公路板梁的待测区域表面；光纤光栅加速度传感器通过支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面。
步骤S2：光纤光栅解调仪接收光纤光栅传感器发出的光信号，将光信号解调为可存储的数据。
步骤S3：数据处理系统存储步骤S2中光纤光栅解调仪输出的数据。
步骤S4：在线监测系统根据步骤S3中数据处理系统存储的数据监测高速公路板梁的健康状态。
进一步的，在所述步骤S4中，控制组件根据步骤S3存储的数据监测高速公路板梁的健康状态，具体步骤为：
步骤S41：标定光纤光栅振动传感器的灵敏度为K灵敏度1，测试并记录光纤光栅振动传感器空载状态下的波长为λ1，实测并记录待测点固定的光纤光栅振动传感器的波长为λ2，得到待测点的振动量为a=（λ2-λ1）/K灵敏度1；标定光纤光栅应变传感器的灵敏度为K灵敏度2，测试并记录光纤光栅应变传感器空载状态下的波长为λ3，实测并记录待测点固定的光纤光栅应变传感器的波长为λ4，得到待测点的应变量为ε=（λ4-λ3）/K灵敏度2。
步骤S42：在Matlab软件中选择sym8小波，确定分解次数为6，采用一维离散小波变换函数wavedec对采集到的数据进行小波分析去噪处理；采用ddencmp函数获取信号的默认阈值，采用函数wdencmp对信号进行消噪和重构。
步骤S43：根据在病害区测得的数据判断损伤程度，用于在进一步损伤之前采取有效修补措施；根据在健康区测得的数据，判断高速公路板梁在正常状态下的应力和应变状态，用于为排查和检修提供参考依据。
进一步的，还包括以下步骤：当光纤光栅传感器测得的值超过控制组件的预设值范围时，在线监测系统自动发出警报。
本发明的有益效果为：
1.本发明的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统用于监测高速公路板梁的应力、应变、腐蚀、裂纹和加速度等参量。
2.本发明采用的光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、测量距离远、信号易传输、易复用、稳定性好等优点，适合在恶劣工作环境下长期工作。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
图2为本发明实施例的A区、B区、C区、D区的区域内传感器布置图。
图3位本发明实施例的C形支架的立体图。
其中：1.光纤光栅加速度传感器；2.光纤光栅应变传感器；3. C形支架。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步描述。
参见图1和图2，本发明的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，包括光纤光栅传感器和控制组件。
光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器2和光纤光栅加速度传感器1，分别用于探测高速公路板梁的应力和振动情况；光纤光栅应变传感器2和光纤光栅加速度传感器1分别设置在不同的光纤中，在一根光纤中等距设置多个光纤光栅应变传感器2，在另一根光纤中以同样的方式设置光纤光栅加速度传感器1；在高速公路板梁上分别选取独立的A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器2的光纤和设有光纤光栅加速度传感器1的光纤，每一对光纤光栅应变传感器2和光纤光栅加速度传感器1的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器2固定安装在固定底座上，并使固定底座两端的距离为光纤光栅应变传感器2的栅区长度的十倍，用于将光纤光栅应变传感器2测得的量放大十倍，提高测量的灵敏度；光纤光栅加速度传感器1正立固定安装在C形支架3上，C形支架3固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于减小光纤光栅加速度传感器1的安装误差。
控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和在线监测系统。
光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；本实施例采用型号为FBG-8M200的光纤光栅解调仪，典型工作速度为0Hz～200Hz，系统分辨率达到1pm，典型误差为1pm，最大误差小于±2pm，用于同时解调8路光信号，波长扫描范围为50nm。
数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；本实施例通过数据库软件MS SQL Sever-2000建立监测数据库，并对储存采集到的数据并提供数据管理、查询和分析。
在线监测系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，利用数据处理系统存储的数据对高速公路板梁进行应力、应变、腐蚀、裂纹和加速度等参量的监测并反馈给操作人员。本实施例在线监测系统采用C/S和B/S结合的结构，利用3D建模技术，监测高速公路板梁的健康状态。
光纤光栅传感器的尾纤与铠装光缆连接，铠装光缆依次与接线盒、光纤光栅解调仪、数据处理系统和在线监测系统连接。
基于多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：在高速公路板梁上分别选取独立的A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器2的光纤和设有光纤光栅加速度传感器1的光纤，每一对光纤光栅应变传感器2和光纤光栅加速度传感器1的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器2采用增敏方式通过固定底座固定安装在高速公路板梁的待测区域表面；光纤光栅加速度传感器1通过C形支架3固定安装在高速公路板梁的待测区域表面；在安装光纤光栅传感器前，用打磨机将高速公路板梁待测区域表面打磨平整，用酒精清洗掉待测区域表面的多余物质，采用螺栓连接和环氧胶水将光纤光栅应变传感器2的固定底座和光纤光栅加速度传感器1的C形支架3固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，使光纤光栅传感器和待测区域表面充分接触，减少应力应变的传递损耗。
步骤S2：通过光纤光栅解调仪FBG-8M200接收光纤光栅传感器发出的光信号，将光信号解调为可存储的数据。
步骤S3：通过数据库软件MS SQL Sever-2000建立监测数据库，并对储存采集到的数据并提供数据管理、查询和分析。
步骤S4：通过采用C/S和B/S结合的结构的在线监测系统和建模技术，利用数据处理系统存储的数据对高速公路板梁进行应力、应变、腐蚀、裂纹和加速度等参量的监测并反馈给操作人员，具体步骤如下：
步骤S41：标定光纤光栅加速度传感器1的灵敏度为K灵敏度1，测试并记录光纤光栅加速度传感器1空载状态下的波长为λ1，实测并记录待测区域表面固定的光纤光栅加速度传感器1的波长为λ2，得到待测区域表面的振动量为a=（λ2-λ1）/K灵敏度1；标定光纤光栅应变传感器2的灵敏度为K灵敏度2，测试并记录光纤光栅应变传感器2空载状态下的波长为λ3，实测并记录待测点固定的光纤光栅应变传感器2的波长为λ4，得到待测点的应变量为ε=（λ4-λ3）/K灵敏度2。
步骤S42：在Matlab软件中选择sym8小波，确定分解次数为6，采用一维离散小波变换函数wavedec对采集到的数据进行小波分析去噪处理；采用ddencmp函数获取信号的默认阈值，采用函数wdencmp对信号进行消噪和重构。
步骤S43：根据在病害区测得的数据判断损伤程度，用于在进一步损伤之前采取有效修补措施；根据在健康区测得的数据，判断高速公路板梁在正常状态下的应力和应变状态，用于为排查和检修提供参考依据；当光纤光栅传感器测得的值超过预设值范围时，在线监测系统自动发出警报。
本发明的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统采用的光纤光栅传感器的外壳材料选用不锈钢或其他耐腐蚀的金属材料，使光纤光栅传感器具有抗电磁、耐腐蚀、灵敏度高、测量精度高的特点，且光纤光栅传感器输出的光信号经控制组件解调后可绘制出波形图，便于进行数据管理和监测。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器和控制组件；所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器；光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器分别设置在不同的光纤中，在一根光纤中等距设置多个光纤光栅应变传感器，在另一根光纤中以同样的方式设置光纤光栅加速度传感器；在高速公路板梁上分别选取独立的A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器的光纤和设有光纤光栅加速度传感器的光纤，每一对光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器采用增敏方式固定安装在固定底座上，固定底座固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于探测高速公路板梁的应力；光纤光栅加速度传感器固定安装在支架上，支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于探测高速公路板梁的振动情况；所述的控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和在线监测系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；在线监测系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，利用数据处理系统存储的数据对高速公路板梁进行监测，并反馈给操作人员。
2.根据权利要求1所述的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，其特征在于：所述的增敏方式为使光纤光栅应变传感器的固定底座两端的距离为光纤光栅应变传感器的栅区长度的十倍，用于将光纤光栅应变传感器测得的量放大十倍，提高测量的灵敏度。
3.根据权利要求1所述的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，其特征在于：所述的支架为C形支架，光纤光栅加速度传感器正立固定安装在C形支架上，C形支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面，用于减小光纤光栅加速度传感器的安装误差。
4.根据权利要求1所述的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅传感器的尾纤接入接线盒并成束输出。
5.基于权利要求1所述的多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：在高速公路板梁上分别选取独立A区和B区作为病害区，选取独立的C区和D区作为对比用的健康区，并在所述的A区、B区、C区和D区表面分别平行固定安装设有光纤光栅应变传感器的光纤和设有光纤光栅加速度传感器的光纤，每一对光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器的安装位置一一对应；光纤光栅应变传感器采用增敏方式通过固定底座固定安装在高速公路板梁的待测区域表面；光纤光栅加速度传感器通过支架固定安装在高速公路板梁的待测区域表面；
步骤S2：光纤光栅解调仪接收光纤光栅传感器发出的光信号，将光信号解调为可存储的数据；
步骤S3：数据处理系统存储步骤S2中光纤光栅解调仪输出的数据；
步骤S4：在线监测系统根据步骤S3中数据处理系统存储的数据监测高速公路板梁的健康状态。
6.根据权利要求5所述的基于多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，其特征在于：在所述步骤S4中，控制组件根据步骤S3存储的数据监测高速公路板梁的健康状态，具体步骤为：
步骤S41：标定光纤光栅振动传感器的灵敏度为K灵敏度1，测试并记录光纤光栅振动传感器空载状态下的波长为λ1，实测并记录待测点固定的光纤光栅振动传感器的波长为λ2，得到待测点的振动量为a=（λ2-λ1）/K灵敏度1；标定光纤光栅应变传感器的灵敏度为K灵敏度2，测试并记录光纤光栅应变传感器空载状态下的波长为λ3，实测并记录待测点固定的光纤光栅应变传感器的波长为λ4，得到待测点的应变量为ε=（λ4-λ3）/K灵敏度2；
步骤S42：在Matlab软件中选择sym8小波，确定分解次数为6，采用一维离散小波变换函数wavedec对采集到的数据进行小波分析去噪处理；采用ddencmp函数获取信号的默认阈值，采用函数wdencmp对信号进行消噪和重构；
步骤S43：根据在病害区测得的数据判断损伤程度，用于在进一步损伤之前采取有效修补措施；根据在健康区测得的数据，判断高速公路板梁在正常状态下的应力和应变状态，用于为排查和检修提供参考依据。
7.根据权利要求5所述的基于多参量光纤传感高速公路板梁实时监测系统实现的监测方法，其特征在于：
还包括以下步骤：当光纤光栅传感器测得的值超过控制组件的预设值范围时，在线监测系统自动发出警报。
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