基于光纤光栅传感技术的桥梁施工监控.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：基于光纤光栅传感技术的桥梁施工监控一、引言顶推法是近年来发展迅速的大型桥梁施工工艺过去由于缺少先进的测量手段国内在桥梁顶推施工时往往采用经纬仪或全站仪进行人工监测效率低、速度慢、精度差实际效果很不理想难以保证施工安全和桥梁宏观质量。工业发达国家一般都要求对顶推施工过程进行自动监控。随着交通事业的快速发展我国对桥梁顶推过程自动监控也越来越重视2004年交通部西部交通建设科技项目招标中就有墩梁受力变形安全控制的内容。传统的机电类传感器在抗干扰、耐潮湿、持久稳定等方面的性能已经不能适应桥梁顶推施工监控的复杂要求和施工现场的恶劣环境。因此研究光纤光栅传感技术在桥梁施工监控中的应用是工程实践的紧迫要求。测试系统要求测量应变的范围为±1000x10-6应变的分辨力为±1x10-6。为了快速组建智能化的施工监控系统将系统构建在目前逐渐成为测控领域主流技术的虚拟仪器平台上充分利用现代信息技术的优势在同一个系统中集成光纤光栅传感解调和顶推施工过程监控。二、光纤光栅传感器结构原理光纤光栅传感器是二十世纪末才发展起来的一种新型光纤传感器它采用波长调制因此克服了传统的光强型和干涉型光纤传感器测量精度受光纤弯曲和连接损耗影响、相位测量模糊等缺陷。光纤光栅传感器的原理如图1所示。利用光纤材料的光敏性通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅当光源发出的连续宽带光li通过传输光纤射人时在光栅处有选择的反射回一个窄带光lr其余宽带光lt继续透射过去在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处进行反射多个光纤光栅阵列形成光纤光栅传感网络。各光纤光栅反射光的中心波长λ为式中n为纤芯的有效折射率；Λ为纤芯折射率的调制周期。目前在结构变形和温度监测中普遍采用周期Λ＜1μm的短周期光纤光栅传感器其反射波长人称为Bragg波长这种传感器称为FBG传感器。根据式（1）解调出反射光波长即可以寻址到FBG传感网络中每个传感器。反射回来的窄带光的中心波长随着作用于FBG的温度和应变成线性变化中心波长的变化量为式中ε为应变量；Δt为温度变化量℃。由式（2）可知FBG反射光中心波长同时受温度和应变的影响交叉敏感的问题是目前FBG应用研究的一个热点比较成熟的方法是采用同种温度环境下的FBG温度补偿传感器进行克服。这样也满足了很多场合下温度和应变同时测量的要求。波长编码的解调是FBG传感器应用中的关键问题。在各种波长解调技术中可调谐F-P腔滤波法体积小、价格低、灵敏度高是一种很有工程实用价值的方法。这种方法利用压电陶瓷驱动F-P腔长变化改变其透射光波长当透射波长与FBG反射波长一致时光探测器检测到最大光强此时压电陶瓷的驱动电压即对应传感光栅波长。2在虚拟仪器平台上开发光纤光栅传感网络虚拟仪器技术是微计算机技术应用于测控领域的优秀成果自20世纪80年代以来随着世界范围内采用虚拟仪器开发的工程与科研成功实例大量涌现虚拟仪器已经逐步成为测控领域的主流技术。虚拟仪器技术可以采用基本相同的硬件结构完成测控系统的通用任务由用户通过修改软件来定制仪器的具体功能。目前最流行的虚拟仪器软件开发环境LabVIEW采用高效率的图形编程语言提供了几乎所有经典信号处理的函数和大量高级信号分析工具；LabVIEW程序非常容易和各种数据采集硬件集成极大地方便了测控系统的开发；LabVIEW本身提供了一种叫做Datasocket的网络技术可以非常方便灵活地与Internet和Intranet连接实现测控系统信息共享；LabVIEW可以快速的与SQL-Server等大型数据库链接便于测试数据存储和管理；由于虚拟仪器在信号的分析、处理、显示、存储和传输等方面的巨大优势极大地强化了FBG传感网络的功能。FBG传感器与虚拟仪器相结合丰富了虚拟仪器的硬件结构类型。基于FBG传感网络的虚拟仪器结构如图2所示。数据采集卡采用NI-4472多通道同步卡它不仅能保持参考光和FBG反射光的正确相位关系而且内部带有抗混滤波器和高达24位的分辨力可以实现精密的测量；每通道200k的采用率足够满足应变和温度的测试速度要求。数据采集卡将对应FBG波长的电信号进行A/D转换经过LabVIEW软件转换为波长值。根据参考光信息解算出的FBG波长变化与被测量的应变和温度信号直接有线性的对应关系。在虚拟仪器平台上得到被测量物理量的实际值以后进行信号的进一步分析处理开发符合工程要求的应用系统。三、桥墩变形监测系统顶推法施工过程是沿桥轴线方向的桥台后分段预制混凝土梁段用纵向预应力筋连成整体用液压顶推设备沿桥墩顶面逐段顶出去再在空出的制梁台座上继续下一梁段浇注依次顶推到桥梁的另一端以完成桥面的施工。由于梁的自重很大使桥墩顶端和梁之间开始发生相对运动的瞬间产生较大的