基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)控

基于光纖光柵傳感技術(shù)的橋梁施工監(jiān)控

一、引言頂推法是近年來(lái)發(fā)展迅速的大型橋梁施工工藝，過(guò)去由于缺少先進(jìn)的測(cè)量手段，國(guó)內(nèi)在橋梁頂推施工時(shí)，往往采用經(jīng)緯儀或全站儀進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，效率低、速度慢、精度差，實(shí)際效果很不理想，難以保證施工安全和橋梁宏觀質(zhì)量。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般都要求對(duì)頂推施工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)橋梁頂推過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控也越來(lái)越重視，2004年，交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目招標(biāo)中就有墩梁受力變形安全控制的內(nèi)容。傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)傳感器在抗干擾、耐潮濕、持久穩(wěn)定等方面的性能已經(jīng)不能適應(yīng)橋梁頂推施工監(jiān)控的復(fù)雜要求和施工現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。因此，研究光纖光柵傳感技術(shù)在橋梁施工監(jiān)控中的應(yīng)用是工程實(shí)踐的緊迫要求。測(cè)試系統(tǒng)要求測(cè)量應(yīng)變的范圍為±1000x10-6，應(yīng)變的分辨力為±1x10-6。為了快速組建智能化的施工監(jiān)控系統(tǒng)，將系統(tǒng)構(gòu)建在目前逐漸成為測(cè)控領(lǐng)域主流技術(shù)的虛擬儀器平臺(tái)上，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在同一個(gè)系統(tǒng)中，集成光纖光柵傳感解調(diào)和頂推施工過(guò)程監(jiān)控。二、光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)原理光纖光柵傳感器是二十世紀(jì)末才發(fā)展起來(lái)的一種新型光纖傳感器，它采用波長(zhǎng)調(diào)制，因此，克服了傳統(tǒng)的光強(qiáng)型和干涉型光纖傳感器測(cè)量精度受光纖彎曲和連接損耗影響、相位測(cè)量模糊等缺陷。光纖光柵傳感器的原理如圖1所示。利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外激光在光纖纖芯上刻寫(xiě)一段光柵，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光li通過(guò)傳輸光纖射人時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光lr，其余寬帶光lt繼續(xù)透射過(guò)去，在下一個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵處進(jìn)行反射，多個(gè)光纖光柵陣列形成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。各光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)λ為式中n為纖芯的有效折射率；Λ為纖芯折射率的調(diào)制周期。目前，在結(jié)構(gòu)變形和溫度監(jiān)測(cè)中，普遍采用周期Λ＜1μm的短周期光纖光柵傳感器，其反射波長(zhǎng)人稱(chēng)為Bragg波長(zhǎng)，這種傳感器稱(chēng)為FBG傳感器。根據(jù)式（1），解調(diào)出反射光波長(zhǎng)即可以尋址到FBG傳感網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器。反射回來(lái)的窄帶光的中心波長(zhǎng)隨著作用于FBG的溫度和應(yīng)變成線(xiàn)性變化，中心波長(zhǎng)的變化量為式中ε為應(yīng)變量；Δt為溫度變化量，℃。由式（2）可知，F(xiàn)BG反射光中心波長(zhǎng)同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響，交叉敏感的問(wèn)題是目前FBG應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)，比較成熟的方法是采用同種溫度環(huán)境下的FBG溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行克服。這樣，也滿(mǎn)足了很多場(chǎng)合下溫度和應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的要求。波長(zhǎng)編碼的解調(diào)是FBG傳感器應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。在各種波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)中，可調(diào)諧F-P腔濾波法體積小、價(jià)格低、靈敏度高，是一種很有工程實(shí)用價(jià)值的方法。這種方法利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)F-P腔長(zhǎng)變化改變其透射光波長(zhǎng)，當(dāng)透射波長(zhǎng)與FBG反射波長(zhǎng)一致時(shí)，光探測(cè)器檢測(cè)到最大光強(qiáng)，此時(shí)，壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓即對(duì)應(yīng)傳感光柵波長(zhǎng)。2在虛擬儀器平臺(tái)上開(kāi)發(fā)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器技術(shù)是微計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的優(yōu)秀成果，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)的工程與科研成功實(shí)例大量涌現(xiàn)，虛擬儀器已經(jīng)逐步成為測(cè)控領(lǐng)域的主流技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)可以采用基本相同的硬件結(jié)構(gòu)完成測(cè)控系統(tǒng)的通用任務(wù)，由用戶(hù)通過(guò)修改軟件來(lái)定制儀器的具體功能。目前，最流行的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW采用高效率的圖形編程語(yǔ)言，提供了幾乎所有經(jīng)典信號(hào)處理的函數(shù)和大量高級(jí)信號(hào)分析工具；LabVIEW程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，極大地方便了測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；LabVIEW本身提供了一種叫做Datasocket的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以非常方便靈活地與Internet和Intranet連接，實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)信息共享；LabVIEW可以快速的與SQL-Server等大型數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接，便于測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理；由于虛擬儀器在信號(hào)的分析、處理、顯示、存儲(chǔ)和傳輸?shù)确矫娴木薮髢?yōu)勢(shì)，極大地強(qiáng)化了FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的功能。FBG傳感器與虛擬儀器相結(jié)合，豐富了虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)類(lèi)型?；贔BG傳感網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集卡采用NI-4472多通道同步卡，它不僅能保持參考光和FBG反射光的正確相位關(guān)系，而且，內(nèi)部帶有抗混濾波器和高達(dá)24位的分辨力，可以實(shí)現(xiàn)精密的測(cè)量；每通道200k的采用率足夠滿(mǎn)足應(yīng)變和溫度的測(cè)試速度要求。數(shù)據(jù)采集卡將對(duì)應(yīng)FBG波長(zhǎng)的電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)LabVIEW軟件轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)值。根據(jù)參考光信息解算出的FBG波長(zhǎng)變化，與被測(cè)量的應(yīng)變和溫度信號(hào)直接有線(xiàn)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在虛擬儀器平臺(tái)上得到被測(cè)量物理量的實(shí)際值以后進(jìn)行信號(hào)的進(jìn)一步分析處理，開(kāi)發(fā)符合工程要求的應(yīng)用系統(tǒng)。三、橋墩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頂推法施工過(guò)程是沿橋軸線(xiàn)方向的橋臺(tái)后分段預(yù)制混凝土梁段，用縱向預(yù)應(yīng)力筋連成整體，用液壓頂推設(shè)備沿橋墩頂面逐段頂出去，再在空出的制梁臺(tái)座上繼續(xù)下一梁段澆注，依次頂推到橋梁的另一端以完成橋面的施工。由于梁的自重很大，使橋墩頂端和梁之間開(kāi)始發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的瞬間產(chǎn)生較大的摩擦力。橋墩在這個(gè)摩擦力的作用下將沿梁移動(dòng)的方向產(chǎn)生水平位移，導(dǎo)致橋墩的彎曲變形。將橋墩簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。橋墩受力簡(jiǎn)圖如圖4所示，在距離固定端xε，的位置安裝FBG傳感器，測(cè)量此處應(yīng)變?chǔ)?。根?jù)材料力學(xué)理論式中e為橋墩上距離基礎(chǔ)xε處的應(yīng)變；σ為橋墩上距離基礎(chǔ)xε處的應(yīng)力，Pa;E為混凝土的彈性模量，Pa;M為橋墩承受的彎矩，N·m；F為墩頂受到的摩擦力,N;W為橋墩的抗彎截面模量，m3。由式（3），可以得到墩頂受到的摩擦力將式（4）代人懸臂梁的撓曲線(xiàn)方程式中y為橋墩任意一點(diǎn)的撓度,m;x為求撓度的截面與固定端的距離m；I為橋墩的截面慣性矩，m4；l為橋墩的高度，m。

根據(jù)式（5）可以描繪出橋墩的變形曲線(xiàn)，并且，可以得到墩頂?shù)乃轿灰?/p>

依式（6），根據(jù)測(cè)量到的應(yīng)變值、應(yīng)變傳感器的安裝位置和橋墩的幾何尺寸，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墩頂?shù)乃轿灰啤?/p>

應(yīng)變測(cè)量范圍是FBG傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。一座高速公路高架橋的橋墩設(shè)計(jì)最大偏轉(zhuǎn)角為±30'，由此并根據(jù)橋墩幾何尺寸和式（6）計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)的參數(shù)范圍如表1。

對(duì)于鍺硅光纖應(yīng)變傳感器，應(yīng)變值ε和中心波長(zhǎng)漂移Δλ、中心波長(zhǎng)λ的關(guān)系為

即應(yīng)變值為10-6時(shí)產(chǎn)生的中心波長(zhǎng)漂移為1.2pm。目前，F(xiàn)BG傳感器普遍采用1520～1570nm的波長(zhǎng)范圍，如果一路光纖布設(shè)10個(gè)傳感器，它們的中心頻率間隔為5nm，測(cè)量應(yīng)變范圍約為±2000x10-6，在此量程范圍內(nèi)反射光譜不會(huì)重疊。

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)性能，將各FBG傳感器安裝于彈性變形構(gòu)件上進(jìn)行測(cè)試，得到表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

橋墩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，在計(jì)算機(jī)PCI總線(xiàn)插槽安裝兩塊數(shù)據(jù)采集卡，一塊采集FBG傳感器信號(hào)，另一塊采集頂推油壓信號(hào)，輸出報(bào)警信號(hào)和頂推控制信k號(hào)。采用碼分多址（codedivisionmultipleaccess，CD－MA）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)接人Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。橋墩位移監(jiān)控系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集與處理、橋墩撓曲線(xiàn)繪制、數(shù)據(jù)傳輸與記錄、報(bào)告打印、控制信號(hào)輸出和錯(cuò)誤事件處理等模塊組成。四、結(jié)論

根據(jù)橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，對(duì)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，傳感器的量程和分辨力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；可以進(jìn)行45km以上的遠(yuǎn)距離測(cè)量，在復(fù)雜惡劣的環(huán)