基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]拉索是索類(斜拉索、懸索等)橋梁的重要受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)是評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)安全與否的重要指標(biāo)之一。因此，研宄拉索的索力檢測方法，特別是在線檢測方法，對(duì)評(píng)價(jià)橋梁的健康狀況具有重要意義。
[0003]目前，斜拉索的索力檢測方法有多種，如油壓表法、磁通量法、測力環(huán)法、頻率法等。但針對(duì)已建成的橋梁，頻率法幾乎是唯一選擇。所謂頻率法就是通過振動(dòng)傳感器測量拉索的固有頻率來間接計(jì)算其索力的方法。頻率法的特點(diǎn)是方便、靈活、成本低、精度佳、可用于在線測量。頻率法的關(guān)鍵是檢測裝置的選擇和拉索固有頻率的識(shí)別方法。
[0004]常用基于壓電式拾振器的監(jiān)測裝置，輸出弱電信號(hào)，直接傳輸距離不超過幾百米，且怕潮濕，易受干擾，不能在自然環(huán)境下長期工作，一般僅用于定期檢測。另外，與之配套的索力測試軟件，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索振動(dòng)特征頻率的自動(dòng)檢索，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量。
[0005]近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，本人所在的課題組開展了基于光纖光柵傳感的橋梁索力在線監(jiān)測系統(tǒng)的研宄，取得了一些成果，如2006年《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》第28卷第8期的文章“新型光纖光柵振動(dòng)傳感器測試斜拉索索力”。但在總結(jié)這些成果的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)如下不足:
[0006](I)光纖傳感器的穩(wěn)定性較差。主要原因是采用的傳感元件FBG的反射譜較窄，受安裝工藝和環(huán)境溫度變化的影響，雙光柵匹配失效的概率大，另外雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是造成傳感器失效的原因之一。
[0007](2)單點(diǎn)測量，系統(tǒng)的復(fù)用能力差，難以形成大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)，不能實(shí)現(xiàn)分布式測量。
[0008](3)識(shí)別方法的可靠性較差。目前采用的識(shí)別法主要識(shí)別拉索的一階固有頻率，這樣識(shí)別難度很大，可靠性很差。原因是(如)有些長索的固有頻率很低，甚至超出傳感器的低頻截止范圍，識(shí)別就會(huì)失敗。
[0009]針對(duì)上述存在的問題，到目前為止還未見解決辦法的有關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測方法與系統(tǒng)，為大跨度橋梁拉索的在線檢測提供更可靠的技術(shù)手段。
[0011]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測系統(tǒng)，包括依次連接的光纖光柵振動(dòng)傳感器組、光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀和拉索振動(dòng)信號(hào)處理單元，其特征在于:所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器組包括串聯(lián)在同一根光纖上的若干個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器，每個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器包括設(shè)置在橋梁拉索上的懸臂梁，懸臂梁的末端連接有質(zhì)量塊，懸臂梁的上下表面對(duì)稱設(shè)有一對(duì)啁啾光柵，2個(gè)啁啾光柵位于一根光纖上；所述的光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀包括寬帶光源、耦合器、波分復(fù)用器和光電探測器陣列，寬帶光源的光經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖光柵振動(dòng)傳感器組，光纖光柵振動(dòng)傳感器組返回的光信號(hào)經(jīng)過光耦合器進(jìn)入波分復(fù)用器，波分復(fù)用器的輸出端通過光電探測器陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再輸入給所述的拉索振動(dòng)信號(hào)處理單元；
[0012]所述的波分復(fù)用器包含一個(gè)輸入端和η個(gè)輸出端，輸出η個(gè)位于不同波段的光，光波帶寬大于光纖光柵振動(dòng)傳感器組反射譜的最大帶寬，每個(gè)輸出端連接一個(gè)光電探測器，η個(gè)光電探測器構(gòu)成所述的光電探測器陣列。
[0013]按上述系統(tǒng)，所述的啁啾光柵均采用兩點(diǎn)粘貼的方式安裝在懸臂梁的上下表面，且施加預(yù)應(yīng)力，波長變化量控制在1±0.1nm范圍內(nèi)。
[0014]按上述系統(tǒng)，同一個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器中的2個(gè)啁啾光柵的3dB帶寬均為2nm，初始狀態(tài)下的中心波長差小于0.5nm，溫度靈敏度系數(shù)的差值小于2pm/°C。
[0015]利用基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的在線檢測方法，其特征在于:通過橋梁拉索上安裝的光纖光柵振動(dòng)傳感器組獲取拉索的振動(dòng)響應(yīng)，分析拉索的振動(dòng)頻譜，識(shí)別出拉索的振動(dòng)基頻，根據(jù)索力與基頻的關(guān)系計(jì)算拉索的索力。
[0016]按上述方法，識(shí)別拉索的振動(dòng)基頻的方法為:根據(jù)拉索頻譜中任意兩階相鄰譜峰的頻率統(tǒng)計(jì)值來求取拉索的振動(dòng)基頻。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:采用啁啾光柵代替布拉格光柵，擴(kuò)大了傳感器的檢測范圍，提高了傳感器的穩(wěn)定性和抗干擾能力，同時(shí)降低了傳感器的制作難度；光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀基于邊沿濾波解調(diào)原理設(shè)計(jì)，并采用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)拉索索力的分布式測量，使一路光纖信號(hào)中可以復(fù)用多個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器，不僅提高了系統(tǒng)的檢測能力，也使拉索索力的分布式測量成為可能，為大跨度橋梁拉索的在線檢測提供更可靠的技術(shù)手段；采用濾波法，縮小了頻率識(shí)別區(qū)間，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性；采用任意相鄰兩階譜峰的頻率統(tǒng)計(jì)值來獲取拉索振動(dòng)的基頻，降低了拉索振動(dòng)基頻的識(shí)別難度。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為光纖光柵振動(dòng)傳感器工作原理圖。
[0021]圖4為光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:1-光纖，2-第一啁啾光柵，3-第二啁啾光柵，4-質(zhì)量塊，5-懸臂梁。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024]一種基于光纖傳感的橋梁拉索索力在線檢測系統(tǒng)，如圖1所示，包括依次連接的光纖光柵振動(dòng)傳感器組、光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀和拉索振動(dòng)信號(hào)處理單元，優(yōu)選的還可以增加與拉索振動(dòng)信號(hào)處理單元連接的報(bào)警單元，分析和判斷拉索狀態(tài)是否安全。所述的光纖光柵振動(dòng)傳感器組包括串聯(lián)在同一根光纖上的若干個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器，每個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器如圖2所示，包括設(shè)置在橋梁拉索上的懸臂梁5 (單懸臂梁結(jié)構(gòu))，懸臂梁5的末端連接有質(zhì)量塊4，懸臂梁5的上下表面對(duì)稱設(shè)有一對(duì)啁啾光柵，分別為第一啁啾光柵2和第二啁啾光柵3，2個(gè)啁啾光柵位于一根光纖I上。所述的光纖光柵振動(dòng)解調(diào)儀如圖4所示，包括寬帶光源、耦合器、波分復(fù)用器和光電探測器陣列，寬帶光源的光經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖光柵振動(dòng)傳感器組，光纖光柵振動(dòng)傳感器組返回的光信號(hào)經(jīng)過光耦合器進(jìn)