基于光纖光柵傳感技術的橋梁施工監(jiān)控

基于光纖光柵傳感技術的橋梁施工監(jiān)控

一、引言頂推法是近年來發(fā)展迅速的大型橋梁施工工藝，過去由于缺少先進的測量手段，國內在橋梁頂推施工時，往往采用經(jīng)緯儀或全站儀進行人工監(jiān)測，效率低、速度慢、精度差，實際效果很不理想，難以保證施工安全和橋梁宏觀質量。工業(yè)發(fā)達國家一般都要求對頂推施工過程進行自動監(jiān)控。隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國對橋梁頂推過程自動監(jiān)控也越來越重視，2004年，交通部西部交通建設科技項目招標中就有墩梁受力變形安全控制的內容。傳統(tǒng)的機電類傳感器在抗干擾、耐潮濕、持久穩(wěn)定等方面的性能已經(jīng)不能適應橋梁頂推施工監(jiān)控的復雜要求和施工現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。因此，研究光纖光柵傳感技術在橋梁施工監(jiān)控中的應用是工程實踐的緊迫要求。測試系統(tǒng)要求測量應變的范圍為±1000x10-6，應變的分辨力為±1x10-6。為了快速組建智能化的施工監(jiān)控系統(tǒng)，將系統(tǒng)構建在目前逐漸成為測控領域主流技術的虛擬儀器平臺上，充分利用現(xiàn)代信息技術的優(yōu)勢，在同一個系統(tǒng)中，集成光纖光柵傳感解調和頂推施工過程監(jiān)控。二、光纖光柵傳感器結構原理光纖光柵傳感器是二十世紀末才發(fā)展起來的一種新型光纖傳感器，它采用波長調制，因此，克服了傳統(tǒng)的光強型和干涉型光纖傳感器測量精度受光纖彎曲和連接損耗影響、相位測量模糊等缺陷。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，通過紫外激光在光纖纖芯上刻寫一段光柵，當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光li通過傳輸光纖射人時，在光柵處有選擇的反射回一個窄帶光lr，其余寬帶光lt繼續(xù)透射過去，在下一個具有不同中心波長的光纖光柵處進行反射，多個光纖光柵陣列形成光纖光柵傳感網(wǎng)絡。各光纖光柵反射光的中心波長λ為式中n為纖芯的有效折射率；Λ為纖芯折射率的調制周期。目前，在結構變形和溫度監(jiān)測中，普遍采用周期Λ＜1μm的短周期光纖光柵傳感器，其反射波長人稱為Bragg波長，這種傳感器稱為FBG傳感器。根據(jù)式（1），解調出反射光波長即可以尋址到FBG傳感網(wǎng)絡中每個傳感器。反射回來的窄帶光的中心波長隨著作用于FBG的溫度和應變成線性變化，中心波長的變化量為式中ε為應變量；Δt為溫度變化量，℃。由式（2）可知，F(xiàn)BG反射光中心波長同時受溫度和應變的影響，交叉敏感的問題是目前FBG應用研究的一個熱點，比較成熟的方法是采用同種溫度環(huán)境下的FBG溫度補償傳感器進行克服。這樣，也滿足了很多場合下溫度和應變同時測量的要求。波長編碼的解調是FBG傳感器應用中的關鍵問題。在各種波長解調技術中，可調諧F-P腔濾波法體積小、價格低、靈敏度高，是一種很有工程實用價值的方法。這種方法利用壓電陶瓷驅動F-P腔長變化改變其透射光波長，當透射波長與FBG反射波長一致時，光探測器檢測到最大光強，此時，壓電陶瓷的驅動電壓即對應傳感光柵波長。2在虛擬儀器平臺上開發(fā)光纖光柵傳感網(wǎng)絡虛擬儀器技術是微計算機技術應用于測控領域的優(yōu)秀成果，自20世紀80年代以來，隨著世界范圍內采用虛擬儀器開發(fā)的工程與科研成功實例大量涌現(xiàn)，虛擬儀器已經(jīng)逐步成為測控領域的主流技術。虛擬儀器技術可以采用基本相同的硬件結構完成測控系統(tǒng)的通用任務，由用戶通過修改軟件來定制儀器的具體功能。目前，最流行的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW采用高效率的圖形編程語言，提供了幾乎所有經(jīng)典信號處理的函數(shù)和大量高級信號分析工具；LabVIEW程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，極大地方便了測控系統(tǒng)的開發(fā)；LabVIEW本身提供了一種叫做Datasocket的網(wǎng)絡技術，可以非常方便靈活地與Internet和Intranet連接，實現(xiàn)測控系統(tǒng)信息共享；LabVIEW可以快速的與SQL-Server等大型數(shù)據(jù)庫鏈接，便于測試數(shù)據(jù)存儲和管理；由于虛擬儀器在信號的分析、處理、顯示、存儲和傳輸?shù)确矫娴木薮髢?yōu)勢，極大地強化了FBG傳感網(wǎng)絡的功能。FBG傳感器與虛擬儀器相結合，豐富了虛擬儀器的硬件結構類型。必基于殊FB求G葵傳感無網(wǎng)絡反的虛觀擬儀勉器結采構如走圖遇2暢所示漏。數(shù)輪據(jù)采熊集卡幅采用門NI罰-4哲47背2紫多通踢道同或步卡姻，它促不僅原能保弟持參衣考光羽和孝FB扣G汽反射業(yè)光的萌正確怕相位飯關系撤，而示且，零內部辭帶有魯抗混扒濾波宋器和瑞高達奉24徒位的陜分辨援力，咐可以巾實現(xiàn)楚精密費的測裂量；掛每通便道施20霧0問k屬的采騰用率貌足夠太滿足熱應變陪和溫打度的尼測試糖速度購要求扣。數(shù)陸據(jù)采毯集卡跳將對水應敗FB辟G沈波長蝦的電遠信號族進行廁A/咳D扯轉換麥，經(jīng)葡過解La江bV郊IE丑W戶軟件染轉換恥為波蛋長值慢。根福據(jù)參串考光餡信息昆解算揭出的辦FB烏G遵波長碧變化霞，與盞被測惠量的謎應變族和溫池度信便號直險接有尺線性揮的對寨應關棚系。喇在虛莊擬儀隆器平豪臺上拴得到場被測份量物增理量飯的實禮際值督以后頓進行狼信號攪的進孩一步單分析窩處理濟，開漲發(fā)符驗合工權程要這求的忽應用熟系統(tǒng)嶄。旅三、參橋墩追變形鳴監(jiān)測銷系統(tǒng)撒頂推繪法施漫工過曉程是猾沿橋窩軸線笑方向繪的橋籌臺后駱分段濁預制巴混凝輕土疑梁段鋪，用炭縱向杠預應瞧力膀筋連很成整協(xié)體，柏用液硬壓頂歡推設繭備沿鑰橋墩閱頂面歡逐段栽頂出吃去，堵再在披空出醫(yī)的制串梁臺沈座上鈔繼續(xù)替下一封梁段淚澆注佛，依噸次頂觀推到奶橋梁銹的另閥一端亡以完唐成橋訂面的仍施工傭。由付于梁猛的自疲重很鹿大，疏使橋求墩頂公端和匙梁之毛間開材始發(fā)它生相禁對運綢動的嚷瞬間和產生訂較大左的摩禮擦力霜。橋嫂墩在淘這個拐摩擦做力的捕作用堅下將邀沿梁菊移動游的方辟向產拜生水您平位惕移，擊導致英橋墩蟲的彎丹曲變受形。紗將橋國墩簡迎化為枝一個獨懸臂隱梁結地構，濕如圖鈔3次所示鑄。索橋墩千受力你簡圖絲如圖量4亦所示棋，在昂距離捷固定這端弄x該ε枝，的斷位置丙安裝浴FB叉G拐傳感絡器，網(wǎng)測量泥此處寒應變萍ε察。根風據(jù)材紙料力保學理慮論估式中訴e銀為橋庭墩上屯距離撿基礎檔x域ε鴉處的惰應變第；卸σ榜為橋咬墩上符距離康基礎恒x師ε紫處的計應力患，缸Pa鉗;崗E教為混繼凝土敲的彈獎性模拐量，箏Pa哥;蜂M悟為橋飾墩承沫受的逃彎矩盟，缸N桿·突m擾；貸F武為墩疤頂受艘到的悲摩擦憂力熄,N傾;W口為橋測墩的狠抗彎芹截面皂模量肆，宰m3帽。寫由式乘（丈3立），培可以敏得到鍬墩頂斬受到賄的摩柱擦力劃將式槽（丘4惕）代偉人懸逼臂梁猾的撓境曲線銅方程匪式中翠y猾為橋限墩任廉意一剖點的鍛撓度大,m斧;x妖為求蟻撓度透的截月面與御固定抓端的括距離甚m嗚；桿I縱為橋惱墩的后截面益慣性國矩，膏m4疼；斬l悼為橋份墩的兆高度昨，裳m裂。忍晚洋根據(jù)顧式（蚊5旨）可賽以描德繪出烘橋墩兆的變乏形曲刮線，名并且江，可型以得避到墩松頂?shù)氖乘骄栉灰普碳S依式掙（虧6繭），仍根據(jù)秀測量夕到的希應變痰值、賠應變膛傳感緊器的睜安裝洪位置敘和橋混墩的啦幾何魯尺寸乓，就惑可以眾實時趙監(jiān)測多墩頂們的水臣平位齡移。呼蕩蠢應變盼測量哈范圍任是逢FB亡G棕傳感脹器設悄計的皇一個拌重要奇問題童。一秤座高猜速公仗路高繼架橋痛的橋風墩設梢計最鄰大偏盛轉角景為麥±賣30伸'糾，由宰此并張根據(jù)容橋墩非幾何友尺寸浙和式篩（新6苗）計響算得毒到被丙監(jiān)測度的參您數(shù)范易圍如公表抵1道。常努藏對于忘鍺硅哭光纖飽應變隆傳感里器，鴉應變藝值丘ε頃和中姜心波息長漂冬移叮Δλ銀、中森心波爽長雁λ萍的關芹系為寧完即序即應斬變值擦為柄10槳-6敬時產還生的柔中心矛波長借漂移萍為睬1.干2以pm還。目乳前，漲FB土G零傳感議器普畜遍采黃用角15粉20如～漠15榨70故n氧m群的波棵長范棉圍，謠如果差一路火光纖鴉布設符10霧個傳代感器單，它服們的襖中心緒頻率譯間隔紛為默5雀nm呀，測淡量應滿變范趣圍約魚為愈±匠20禽00枝x1箏0-輔6攔，在盒此量妄程范愛圍內匯反射跟光譜暮不會大重疊登。抄烏雁為了全檢驗白系統(tǒng)薯性能閥，將翻各芳FB范G拒傳感四器安測裝于應彈性溪變形本構件木上進讀行測聯(lián)試，帽得到擇表窮2沉的實什驗數(shù)賊據(jù)。宗隱證橋墩典位移兄監(jiān)測氣系統(tǒng)稅以工袍業(yè)控偷制計怕算機所為核杜心，毫在計習算機篇PC蹈I舉總線初插槽攀安裝洗兩塊循數(shù)據(jù)君采集艇卡，褲一塊胖采集槐FB鞋G拴傳感帶器信支號，憤另一憐塊采兼集頂塘推油畏壓信順號，饑輸出念報警怎信號扎和頂玉推控悔制信室k雷號。攤采用敗碼分蝶多址惕（促co栽de考d鑄iv億is侮io敏n腿mu禿lt享ip添le撿a刊cc暗es攔s傭，忘CD勵－致MA萌）無揭線網(wǎng)歪卡通架過移賓動公饑網(wǎng)接寸人瓦In恢te安rn業(yè)et辰實現(xiàn)吼遠程封監(jiān)控亡。橋坦墩位聯(lián)移監(jiān)泛控系動統(tǒng)軟酒件由里數(shù)據(jù)誤采集圍與處墨理、漲橋墩今撓曲破線繪區(qū)制、句數(shù)據(jù)收傳輸湊與記趣錄、用報告筍打印底、控綠制信焦號輸奮出和泡錯誤鍬事件宴處理淋等模佛塊組成成。肆四、蒙結論句甘限根據(jù)穗橋梁石施工征監(jiān)控靠系統(tǒng)鐘的實新際需廟求，嗚對光偷纖光桌柵傳歉感網(wǎng)皮絡進夫行測的試，奏傳感櫻器的對量程命和分滾辨力剝均滿頂足設披計要峽求；染可以流進行棵45慌k呀m志以上蠅的遠愧距離乖測量準，在微復雜濱惡劣到的環(huán)暴境下善，具認有極被好的長穩(wěn)定賤性和殲可靠爹性。里在虛刻擬儀碎器平腦臺上隙構建跟F