本發(fā)明屬于橋梁監(jiān)測(cè)方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁進(jìn)行二維區(qū)域面和三維塊體的大范圍連續(xù)場(chǎng)的長(zhǎng)距離、高空間分辨率、高精度、抗電磁干擾、無(wú)職能障礙的在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)診斷和報(bào)警。

背景技術(shù)：

橋梁在在使用過(guò)程中由于受各種因素的影響，結(jié)構(gòu)各部分會(huì)存在不同程度的損傷和劣化。如果這些損傷不能及時(shí)得到監(jiān)測(cè)和維修，輕則影響行車安全和縮短橋梁壽命，重則導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌而引起災(zāi)難性事故，因而對(duì)該領(lǐng)域的傳感和安全監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)中的機(jī)械式傳感技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，但該技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，無(wú)法滿足災(zāi)害與事故實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求；電阻式、壓電式、振弦式等原理的電類傳感技術(shù)目前在橋梁監(jiān)測(cè)中發(fā)揮主要作用，但是電類傳感器為有源器件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、易受電磁干擾、組網(wǎng)復(fù)雜、信號(hào)傳輸距離短等弊端不僅影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性，而且需要額外的信號(hào)傳輸設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；隨著自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，大量新興技術(shù)應(yīng)用于安全監(jiān)測(cè)中，如無(wú)線傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)、GPS、直流電阻率法、微震監(jiān)測(cè)等測(cè)量技術(shù)，但這些技術(shù)易受環(huán)境噪聲干擾，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的監(jiān)測(cè)存在技術(shù)瓶頸。

與傳統(tǒng)的機(jī)械式、電式傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)的傳感系統(tǒng)與儀器具有抗電磁干擾、防水性能強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、便于埋入材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高、傳感信息傳輸距離遠(yuǎn)、封裝工藝簡(jiǎn)單靈活、通過(guò)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)等突出特點(diǎn)。光纖傳感器分為點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和全分布式，點(diǎn)式只適合測(cè)單個(gè)定點(diǎn)的參數(shù)，準(zhǔn)分布式可以一次多點(diǎn)但性價(jià)比不高，而全分布式光纖傳感器能夠連續(xù)測(cè)量一整根光纖上的溫度、壓力和振動(dòng)信息，并且傳輸距離遠(yuǎn)，在一些遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量的場(chǎng)合比點(diǎn)式光纖傳感器更適用，所以研發(fā)一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為掌握橋梁安全狀態(tài)以及為橋梁維修加固的決策提供有效信息支持，是十分有價(jià)值的。

(一)布里淵散射的傳感機(jī)理

在光纖中傳播的光波，其大部分是前向傳播的，但由于光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間存在不均勻結(jié)構(gòu)，有一小部分會(huì)發(fā)生散射。光纖中的散射過(guò)程主要有三種：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。其中，布里淵散射式光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用產(chǎn)生的光散射過(guò)程，在不同條件下布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來(lái)。

布里淵散射光的強(qiáng)度受溫度和應(yīng)變的影響，布里淵散射光強(qiáng)度如下式所示：

式中，I_B表示布里淵散射光強(qiáng)度，I_R表示瑞利散射光強(qiáng)度，T_F表示玻璃的假想溫度，ρ表示材料密度，B_T表示等溫壓縮率，V_A表示聲學(xué)聲子的速率，T表示絕對(duì)溫度。

從布里淵散射光強(qiáng)度公式可知，溫度是布里淵散射光強(qiáng)度的最直接相關(guān)變量，但由于材料密度和聲學(xué)聲子速率對(duì)溫度和應(yīng)變有一定的影響，因此，這兩個(gè)變量也可以說(shuō)是布里淵散射光強(qiáng)度的間接影響變量。

布里淵散射光功率和頻移可以用來(lái)測(cè)量溫度和應(yīng)變的分布。如果布里淵散射光功率測(cè)量得到，首先需要進(jìn)行光纖固有損耗的歸一化，通常選擇寬帶光源的瑞利散射OTDR信號(hào)軌跡相比對(duì)做這個(gè)歸一化處理。如果需要同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變，那么歸一化的布里淵散射光功率和布里淵頻移都需要被測(cè)量得到。布里淵散射光功率和頻移與被測(cè)量的傳感量溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系，如下式所示：

P_B[T(z),ε(z)]-P_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_P,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_P,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

ν_B[T(z),ε(z)]-ν_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_ν,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_ν,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

式中，z表示沿傳感光纖上的位置，P_B(T,ε)表示分布式布里淵散射光功率，ν_B(T,ε)表示分布式布里淵散射光頻移，P_B(T₀,ε₀)表示通過(guò)實(shí)驗(yàn)在z₀位置處標(biāo)定的參考布里淵散射光功率，ν_B(T₀,ε₀)表示通過(guò)實(shí)驗(yàn)在z₀位置處標(biāo)定的參考布里淵散射光頻移，C_P,T、C_P,ε、C_ν,T和C_ν,ε表示通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出來(lái)的線性系數(shù)。

根據(jù)傳感光纖上沿線不同位置處反射回來(lái)的布里淵散射光強(qiáng)度和頻移量，可實(shí)現(xiàn)基于布里淵散射的分布式溫度和應(yīng)變傳感，如下式所示：

式中，ΔT為溫度變化量，Δε為應(yīng)變變化量。

目前，基于布里淵散射的溫度/應(yīng)力傳感技術(shù)主要有布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)、布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)、布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù)和布里淵相關(guān)域分析(BOCDA)技術(shù)這幾種典型的傳感方案，其中BOTDA技術(shù)的信號(hào)檢測(cè)相對(duì)比較容易，國(guó)內(nèi)外的研究也比較成熟，已有成套的基于BOTDA技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

(二)BOTDR光纖傳感系統(tǒng)工作流程

以BOTDA技術(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明：處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光(泵浦光)與一連續(xù)光(探測(cè)光)注入傳感光纖，當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時(shí)，在該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束相互之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移；當(dāng)光纖的某一部分溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，那里的布里淵頻移便隨之發(fā)生變化，引起該部分的BOTDA信號(hào)變化，通過(guò)調(diào)諧使入射脈沖光和連續(xù)光之間的頻差等于新的布里淵頻移，便能接收到該點(diǎn)的布里淵散射信號(hào)；由于布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，因而對(duì)兩激光器的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)從光纖一段耦合出來(lái)的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖個(gè)小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變和振動(dòng)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有橋梁監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)中機(jī)械式、電式傳感技術(shù)的弊端，以及已有的監(jiān)測(cè)方法僅可以進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的不足，提供一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這種方案不僅有比傳統(tǒng)方法更好的適用性，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁進(jìn)行二維區(qū)域面和三維塊體的大范圍連續(xù)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使單位信息的獲取成本大大降低，大大提高了性價(jià)比。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。

設(shè)計(jì)一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光纖傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)和評(píng)估與報(bào)警系統(tǒng)；光纖傳感系統(tǒng)主要包括傳感光纖和光解調(diào)儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)光纖傳感系統(tǒng)輸出的光信號(hào)功率進(jìn)行智能采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)向數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送至數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到監(jiān)測(cè)信息并呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，評(píng)估與報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估以掌握被監(jiān)測(cè)的橋梁健康安全情況，若超過(guò)閾值則及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：傳感器以二氧化硅為纖芯材料，光信號(hào)作為載體，具有抗電磁干擾、防水、耐高溫等特點(diǎn)，比金屬傳感器具有更好的耐久性；光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕，便于鋪設(shè)；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特大橋?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離、全方位監(jiān)測(cè)；本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量光纖沿線各點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等信息，使單位信息的獲取成本大大降低，更加經(jīng)濟(jì)；本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁損傷和劣化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的分析，對(duì)損傷和劣化自診斷并及時(shí)預(yù)警。

附圖說(shuō)明

圖1為BOTDA光纖傳感系統(tǒng)工作流程圖，其中，EOM1和EMO2為光電調(diào)制器，EDFA為摻鉺光纖放大器，ISO為隔離器，PC為偏振控制器。

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的傳感光纖布設(shè)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)到預(yù)定目的所采用的技術(shù)手段，現(xiàn)用實(shí)施實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，參見(jiàn)圖1-3)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光纖傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)和評(píng)估與報(bào)警系統(tǒng)。光纖傳感系統(tǒng)主要包括傳感光纖和光解調(diào)儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)光纖傳感系統(tǒng)輸出的光信號(hào)功率進(jìn)行智能采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)向數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送至數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到監(jiān)測(cè)信息并呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，評(píng)估與報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估以掌握被監(jiān)測(cè)的橋梁健康安全情況，若超過(guò)閾值則及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

所述監(jiān)測(cè)信息包括被監(jiān)測(cè)橋梁溫度、應(yīng)力、裂縫、振動(dòng)、鋼筋銹蝕等。

所述數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)為PC應(yīng)用平臺(tái)。

所述傳感光纖為分布式傳感光纖，其布設(shè)方式有預(yù)埋和敷設(shè)兩種，預(yù)埋時(shí)可以直接澆筑在橋梁構(gòu)件的混凝土中，敷設(shè)時(shí)可以直接粘貼在結(jié)構(gòu)表面。傳感光纖可通過(guò)S形、直線布設(shè)、網(wǎng)狀(#形)布設(shè)等形式實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁進(jìn)行二維或三維的監(jiān)測(cè)，具體布設(shè)時(shí)根據(jù)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)視具體情況選擇。如圖3所示，根據(jù)監(jiān)測(cè)目的和橋梁特點(diǎn)規(guī)劃傳感光纖的布設(shè)方案，在此假設(shè)欲監(jiān)測(cè)梁構(gòu)件中的受力鋼筋內(nèi)力、混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變；為監(jiān)測(cè)鋼筋內(nèi)力，可采用沿受力筋表面粘貼傳感光纖的布設(shè)方法，如圖3中(a)所示；粘貼前首先將傳感光纖保持一定的預(yù)拉應(yīng)力，然后將粘貼劑將傳感光纖完全粘貼在被測(cè)的受力鋼筋的表面，并在端側(cè)預(yù)留一定長(zhǎng)度的傳感光纖，然后將帶有傳感光纖的鋼筋澆筑在混凝土中；為測(cè)量應(yīng)變，可將分布式傳感光纖粘貼在梁試件的上下表面，如圖3中(b)所示。

所述光纖傳感系統(tǒng)為基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述傳感光纖以二氧化硅為纖芯材料。

現(xiàn)結(jié)合圖1對(duì)BOTDA光纖傳感系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行說(shuō)明。入射端激光器發(fā)出激光，激光通過(guò)耦合器分為均等的兩路信號(hào)：一路激光信號(hào)通過(guò)一個(gè)光電調(diào)制器(EOM1)的調(diào)制變?yōu)橐皇}沖光(即為泵浦光脈沖)，然后通過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)的放大作用放大后再通過(guò)隔離器(ISO)進(jìn)入傳感光纖，另一束光信號(hào)通過(guò)光電調(diào)制器(EOM2)并被調(diào)制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號(hào)的最大化和傳輸特性的平坦化，光信號(hào)在通過(guò)EOM2之前需由偏振控制器(PC)進(jìn)行偏振態(tài)的控制。兩路光信號(hào)進(jìn)入傳感光纖后，當(dāng)傳感光纖一個(gè)區(qū)域的布里淵頻移等于該處探測(cè)光與泵浦光的頻差時(shí)，在這個(gè)地方就會(huì)有布里淵放大效應(yīng)發(fā)生，兩個(gè)光信號(hào)之間的能量就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，但總能量還是不變的。因?yàn)闇囟?、?yīng)變與布里淵頻移是線性相關(guān)的，所以只要在對(duì)兩路光信號(hào)頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)從傳感光纖另一端耦合出來(lái)的光信號(hào)功率，就可以得到傳感光纖延長(zhǎng)度方向上各個(gè)區(qū)域段上的發(fā)生最大能量轉(zhuǎn)移時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，這樣就實(shí)現(xiàn)了通過(guò)傳感光纖分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)的溫度和變形。

所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在使用前，優(yōu)選的，進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和設(shè)置，具體操作為：對(duì)梁結(jié)構(gòu)施加不同等級(jí)的荷載，輔以其他測(cè)量手段，對(duì)光纖傳感系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和設(shè)置，以取得最好的測(cè)試效果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。