一种基于分布式光纤光栅感测的桥梁健康监测系统的制作方法

1.本发明涉及桥梁结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤光栅感测的桥梁健康监测系统。


背景技术：

2.桥梁在使用过程中由于受到各种因素的影响，结构各部分会存在不同程度的损伤和劣化。必须对这些对这些损伤即使监测和维修，否则会影响行车安全以及缩短桥梁寿命，甚至会导致桥梁突然破坏和倒塌而引起灾难性事故，因而对该领域的传感和安全监测技术提出了更高的要求。目前广泛应用于桥梁监测中的机械式传感技术简单实用，但该技术不易实现数据 的自动采集，无法满足灾害与事故实时监测的需求；目前工程上广泛应用的电类传感技术主要是电阻式、压电式、振弦式等，由于电类传感器为有源器件，其长期稳定性差、易受电磁干扰、组网复杂、信号传输距离短等弊端不仅影响了监测结果的准确度与稳定性，而且需要额外的信号传输设备，增加了系统的复杂性；目前已有的自动检测技术已被大量应用于实际的安全监测中，如无线传感器与传感网络、gps、直流电阻率法、微震监测等测量技术,但这些技术也存在一些缺点，例如其易受环境噪声干扰。
3.与传统的机械式、电式传感监测技术相比，光纤传感技术的优点有抗电磁干扰、防水性能强、体积小、质量轻、便于埋入材料或结构内部进行无损检测、动态范围宽、灵敏度高、传感信息传输距离远、封装工艺灵活简易，通过复合技术实现大规模组网等。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于分布式光纤光栅感测的桥梁健康监测系统，以实现对桥梁进行长距离、高精度、抗电磁干扰、动态监测网络。
5.为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于分布式光纤光栅感测的桥梁健康监测系统，它包括传感器系统，用于监测桥梁在温度、不均匀沉降及荷载作用下的应力、应变反应，解决可靠性评估中的效应监测问题及监测桥梁各部位的静态位置和静态位移，以确保结构在使用期内的正常使用性，同时也为系统提供模式样本及结构反演分析的原始数据；数据传输与处理系统，将传感器系统对桥梁监控量测信息进行预处理并形成数据文件，通过光纤调制解调器和光缆传输至智慧管理系统；结构分析和评估系统，为pc应用平台，由智慧管理系统的路网运行监测子系统开发建设完成，主要对监测结果进行分析与评估；所述监控量测信息包括被监测桥梁的主梁应力、伸缩缝位移、主梁挠度线性变化、预应力钢束应力；监测所述被监测桥梁的主梁应力选用光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅钢筋应力计以及光纤光栅表面应变计进行应力检测；监测所述被监测桥梁的伸缩缝位移选用光纤光栅位移计作为监测仪器；
监测所述被监测桥梁的主梁挠度线性变化选用光纤光栅静力水准仪作为监测仪器；监测所述被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测选取光纤光栅锚索应力计作为监测仪器。
6.进一步的，所述光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅钢筋应力计、光纤光栅表面应变计、光纤光栅位移计、光纤光栅静力水准仪以及光纤光栅锚索应力计采用的传感光纤为分布式传感光纤；所述传感光纤的布设方式有预埋或敷设，预埋时可以直接浇筑在桥梁构件的混凝土中，敷设时可以直接粘贴在结构表面，传感光纤通过直线或网状布设实现对桥梁进行二维或三维的监测。
7.进一步的，在对被监测桥梁的主梁应力进行监测时，光纤光栅埋入式应变计应于衬砌混凝土浇筑前绑扎于钢筋骨架上，安装时传感器轴向需要与衬砌环向平行，使用扎丝将光纤光栅埋入式应变计固定至钢筋上，利用扎带将应变计引线固定至钢筋上并沿钢筋引出，过弯处需要以大于5cm左右弯曲半径引；光纤光栅钢筋应力计采用现场焊接法安装，将光纤光栅钢筋应力计固定在主筋正下方位置，避免混凝土浇筑时振捣破坏，利用扎带将光纤光栅钢筋应力计引线固定至钢筋上并沿钢筋引出，过弯处需要以大于5cm左右弯曲半径引出，所有单点传感器均采用并联的方式双端引线引出。
8.再进一步的，在对被监测桥梁的伸缩缝位移进行监测时，先用带有万向节和固定螺栓的光纤光栅位移计在缝隙两侧测定安装孔位，打孔安装夹具，将传感器安装至夹具，并注意调整其位置和高度，固定位移计一侧，给予一定的拉伸位移，固定位移计另一侧。
9.进一步的，在对被监测桥梁的主梁挠度线性变化进行监测时，在桥梁主梁位置处放置水箱，间隔布设光纤光栅静力水准仪，水箱与光纤光栅静力水准仪通过水路连接，串接成同一水路系统；桥梁挠度发生变化，受光纤光栅静力水准仪内水位高度差产生的压力影响，光纤光栅的波长发生变化，然后结合光纤光栅静力水准出厂标定参数，可将测到的光纤光栅波长变动数据换算成竖向位移大小，即桥梁的挠度值，同时桥梁挠度线性变化监测采用测墩安装，将光纤光栅静力水准仪安装在标高相同的测墩上，将基准水箱和光纤光栅静力水准按照顺序串联起来，其中在基准点布设一个光纤光栅静力水准，作为沉降的基准参考，其余光纤光栅静力水准安装在设计沉降监测位置。
10.再进一步的，在对被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测时，选取典型的1根预应力钢束进行监测，光纤光栅锚索测力计根据现场体外索直径、锚固力主要参数进行定制加工，将光纤光栅锚索测力计加设在锚索座和锚索头之间，利用光纤光栅锚索测力计实时检测锚索的张紧压力。
11.特别的，所有的光纤传感器件布设完毕后，利用多芯通信光缆与冗余光纤引线线路串联连接，通过保护沟槽引入到建立的监测站内，最终实现所有光路信号在监测站内采集数据，系统集中监测，整体监测单元的网络化控制，配合相关软件系统开发，进行自动化测量、储存和分析，通过无线传输网络及客户端软件可以实时在线监测、查看监测结果，最终达到自动化监测的目的。
12.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：本发明传感器以光信号为载体，具有抗电磁干扰、防水、耐高温等特点，比金属传感器具有更好的耐久性；光纤传感器体积小、质量轻，便于铺设；可以实现对桥梁实现长距
离、全方位监测；本系统能准确测量光纤沿线各点的主梁应力、伸缩缝位移、主梁挠度线性变化、预应力钢束应力等信息，大大降低了单位信息的获取成本，可以全方位掌握桥梁整体及局部结构的细微变化，并且精确的判断梁体的健康状况。
附图说明
13.图1为光纤光栅传感系统原理图；图2为本发明在对被监测桥梁的主梁应力进行监测时的传感器布置图；图3为本发明在对被监测桥梁的伸缩缝位移进行监测时的传感器布置图（*区域为传感器布置位置）；图4为本发明在对被监测桥梁的主梁挠度线性变化进行监测时的传感器布置图；图5为本发明在对被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测时的传感器布置图。
具体实施方式
14.下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
15.本发明旨在通过分布式光纤光栅感测实现对桥梁进行长距离、高精度、抗电磁干扰、动态监测网络；参照图1所示，分布式光纤光栅感测技术（fbg）主要通过将光纤光栅应变片封装成多种不同类型的光纤光栅传感器，布设安装到被测物体上，实现被测物的多种参量的测量。分布式光纤光栅感测技术（fbg）主要实现无线自动化实时在线监测，布拉格光纤光栅（fbg）传感器是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成。当温度或应力发生改变时，光纤产生轴向应变，应变使得光栅周期变大，同时光纤芯层和包层半径变小，通过光弹性效应改变了光纤的折射率，从而引起光栅波长偏移。利用应变与光栅波长偏移量的线性关系，通过计算得出被测结构应变量，fbg是由光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化而形成，当入射激光波长与fbg的周期满足下式条件时，光栅会对激光进行反射。由下式可知，fbg反射的波长与栅格间距及光纤折射率相关，当光纤发生轴向变形及温度变化时即可引起栅格间距及折射率的漂移，从而反射波长也发生相应漂移，即通过测量漂移量，即可得光纤的变形量或温度变化量：式中，表示fbg反射的波长，表示光纤折射率，表示栅格间距。由实验研究，应变和温度均与中心波长存在很好的线性关系，且相互独立，其关联公式下式所示式中，为光纤光栅应变灵敏系数，为光纤光栅的温度灵敏度系数，为温度变化值，ε为应变，因此fbg能够对材料的微变形进行精确测量，为此将fbg封装到附着到弹性元件上即可封装成压力、位移、倾斜及应力等传感器，实现跟多变量传感测试。
16.基于fbg能够对材料的微变形进行精确测量的原理本发明提出一种基于分布式光纤光栅感测的桥梁健康监测系统，它包括传感器系统，用于监测桥梁在温度、不均匀沉降及荷载作用下的应力、应变反应，解决可靠性评估中的效应监测问题及监测桥梁各部位的静
态位置和静态位移，以确保结构在使用期内的正常使用性，同时也为系统提供模式样本及结构反演分析的原始数据；数据传输与处理系统，将传感器系统对桥梁监控量测信息进行预处理并形成数据文件，通过光纤调制解调器和光缆传输至智慧管理系统；结构分析和评估系统，为pc应用平台，由智慧管理系统的路网运行监测子系统开发建设完成，主要对监测结果进行分析与评估；监控量测信息包括被监测桥梁的主梁应力、伸缩缝位移、主梁挠度线性变化、预应力钢束应力，所有的光纤传感器采用的传感光纤为分布式传感光纤；所述传感光纤的布设方式有预埋或敷设，预埋时可以直接浇筑在桥梁构件的混凝土中，敷设时可以直接粘贴在结构表面，传感光纤通过直线或网状布设实现对桥梁进行二维或三维的监测；所有的光纤传感器件布设完毕后，利用多芯通信光缆与冗余光纤引线线路串联连接，通过保护沟槽引入到建立的监测站内，最终实现所有光路信号在监测站内采集数据，系统集中监测，整体监测单元的网络化控制，配合相关软件系统开发，进行自动化测量、储存和分析，通过无线传输网络及客户端软件可以实时在线监测、查看监测结果，最终达到自动化监测的目的。
17.参照图2所示（在对被监测桥梁的主梁应力进行监测时的传感器布置），应力是运营桥梁局部响应最主要的表现量，对运营期活载作用下桥梁受力最不利截面、桥梁病害发展较快的部位等进行应力监测，监测被监测桥梁的主梁应力选用光纤光栅埋入式应变计、光纤光栅钢筋应力计以及光纤光栅表面应变计进行应力检测，在对被监测桥梁的主梁应力进行监测时，考虑到该桥上跨常合高速较为复杂和桥梁的特点，选取(45 80 45)m预应力混凝土变截面连续梁桥5个断面和小桩号引桥3孔一联的35米先简支后连续预应力混凝土连续小箱梁3个断面，共计8个监测断面进行监测，其中(45 80 45)m预应力混凝土变截面连续梁桥5个断面为单箱单室断面，每个断面8支传感器，左右幅合计16支，共计80支传感器；小桩号引桥3孔一联的35米先简支后连续预应力混凝土连续小箱梁3个断面，横向布设4片小箱梁断面，每个断面8支传感器，左右幅合计16支，共计48支传感器；8个断面共计128支传感器。
18.光纤光栅埋入式应变计应于衬砌混凝土浇筑前绑扎于钢筋骨架上，安装时传感器轴向需要与衬砌环向平行，使用扎丝将光纤光栅埋入式应变计固定至钢筋上，利用扎带将应变计引线固定至钢筋上并沿钢筋引出，过弯处需要以大于5cm左右弯曲半径引；光纤光栅钢筋应力计采用现场焊接法安装，将光纤光栅钢筋应力计固定在主筋正下方位置，避免混凝土浇筑时振捣破坏，利用扎带将光纤光栅钢筋应力计引线固定至钢筋上并沿钢筋引出，过弯处需要以大于5cm左右弯曲半径引出，所有单点传感器均采用并联的方式双端引线引出。
19.参照图3所示（在对被监测桥梁的伸缩缝位移进行监测时的传感器布置），位移监测能观测梁体相对于支座是否产生横向或纵向滑移，梁体间伸缩缝的位移。针对监测被监测桥梁的伸缩缝位移选用光纤光栅位移计作为监测仪器，选取0#桥台、3#桥墩、6#桥墩、9#桥台等4个位置作为监测断面，每个断面布设2个纵向位移传感器和2个横向位移传感器，共布设16支位移传感器，在对被监测桥梁的伸缩缝位移进行监测时，先用带有万向节和固定螺栓的光纤光栅位移计在缝隙两侧测定安装孔位，打孔安装夹具，将传感器安装至夹具，并注意调整其位置和高度，固定位移计一侧，给予一定的拉伸位移，固定位移计另一侧；
参照图4所示（在对被监测桥梁的主梁挠度线性变化进行监测时的传感器布置），主梁挠度监测可直观的掌握桥梁的挠度线性，综合其它应力监测等监测项可分析出对桥梁挠度影响的因素；监测所述被监测桥梁的主梁挠度线性变化选用光纤光栅静力水准仪作为监测仪器，选取6～9号桩段作为监测段，选取9号桥台处作为监测基点（可根据现场情况调整），加上基点共计布设8个静力水准仪，在对被监测桥梁的主梁挠度线性变化进行监测时，在桥梁主梁位置处放置水箱，间隔布设光纤光栅静力水准仪，水箱与光纤光栅静力水准仪通过水路连接，串接成同一水路系统；桥梁挠度发生变化，受光纤光栅静力水准仪内水位高度差产生的压力影响，光纤光栅的波长发生变化，然后结合光纤光栅静力水准出厂标定参数，可将测到的光纤光栅波长变动数据换算成竖向位移大小，即桥梁的挠度值，同时桥梁挠度线性变化监测采用测墩安装，将光纤光栅静力水准仪安装在标高相同的测墩上，将基准水箱和光纤光栅静力水准按照顺序串联起来，其中在基准点布设一个光纤光栅静力水准，作为沉降的基准参考，其余光纤光栅静力水准安装在设计沉降监测位置。
20.参照图5所示（在对被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测时的传感器布置），体外索承担水平推力的预应力钢束张力的准确性关系到拱肋、主梁内力、线形及其本身的安全。因此需要对体外索进行拉力监测。通过监测来实现体外索受力大小预警，进行人为干预控制；监测所述被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测选取光纤光栅锚索应力计作为监测仪器；在对被监测桥梁体外索的预应力钢束应力监测时，选取典型的1根预应力钢束进行监测，光纤光栅锚索测力计根据现场体外索直径、锚固力主要参数进行定制加工，将光纤光栅锚索测力计加设在锚索座和锚索头之间，利用光纤光栅锚索测力计实时检测锚索的张紧压力。
21.另外针对光纤调制解调器可使用nzs-fbg无线光纤光栅解调仪，内置了快速可调谐激光光源模块，通过改变可调谐光源的输出波长，计算出fbg传感器的中心波长，客户端软件根据传感器的波长特征参数计算出光纤光栅传感器物理数值，该产品可用于长时间的现场测量，也可方便进行二次开发集成系统。多个传感器通道可以同时解调多条光纤上的传感器或进行通道分析。该产品高度集成无线传输模块，根据现场环境和数据传输条件采用无线通讯将获得所有数据传送至客户端软件测试系统，进行监测分析。
22.其中客户端软件模块分为项目总览及分项监测内容菜单，项目总览为用户提供项目的监测内容信息、整体布设信息以及报警统计信息。分项菜单展示各监测内容的传感器布设点位信息、实时更新监测数据并显示传感器的测量状态。
23.以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。