監(jiān)測樁基沖刷狀態(tài)的新型光纖Bragg光柵傳感器 - 圖文-

1、2010年第7期儀表技術(shù)與傳感器I nstru ment Technique and Sens or 2010No 17 基金項(xiàng)目:黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2007-10收稿日期:2010-03-30收修改稿日期:2010-04-10監(jiān)測樁基沖刷狀態(tài)的新型光纖Bragg 光柵傳感器潘洪亮1,2,何俊2,楊2(1.黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001摘要:橋梁結(jié)構(gòu)被破壞的重要原因之一就是水流對樁基的沖刷使橋墩附近的基礎(chǔ)被逐漸沖蝕,橋墩通常對于水流起阻礙作用,進(jìn)而導(dǎo)致在橋墩附近水流流速過快并產(chǎn)生漩渦,沖蝕橋墩附近基

2、礎(chǔ),使橋梁處于不安全的狀態(tài)。由于河流沖蝕對橋梁造成的破壞已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。目前的樁基沖刷監(jiān)測方法如人工深度尺、聲納、雷達(dá)和時域反射計(jì)(T DR 等有離線、精度低、穩(wěn)定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點(diǎn),難于實(shí)時、準(zhǔn)確監(jiān)測樁基的沖刷狀態(tài)。文中提出了一種通過監(jiān)測樁基附近土壓力大小進(jìn)而分析樁基沖刷狀態(tài)的新型沖刷傳感器,敏感元件選取光纖光柵(F BG ,光柵的封裝采用經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的GFRP 懸臂梁,在此基礎(chǔ)上制作出適合實(shí)際工程應(yīng)用的光纖光柵樁基沖刷監(jiān)測傳感器,同時通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種傳感器的傳感性能,其空間分辨率達(dá)011m.關(guān)鍵詞:光纖光學(xué);沖刷傳感器;光纖光柵;樁基沖刷中圖分類號:T

3、P212.14文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-1841(201007-0010-03New M ethod on Scour i n g Sen sor Ba sed on FBGP AN Hong 2liang 1,2,HE Jun 2,Y ANG Kan2(1.College of Electr i ca l and I nforma ti on Eng i n eer i n g,He ilongji a ng I n stitute of Sc i ence and Technology,Harb i n 150027,Ch i n a;2.School of M echa tro

4、n i cs Eng i n eer i n g,Harb i n I n stitute of Technology,Harb i n 150001,Ch i n aAbstract:Local scour t o the p ier f ooting is one of the most seri ous fact ors for the bridge failure .B ridge p iers often obstruct the fl ow of fl ood waters,causing an increase in vel ocity and the devel opment

5、of vortices .The increased vel ocity and vortices often cause scour near the bridge foundati ons .The da mage t o bridges caused by scour are p r oblem s of internati onal concern .The common methods such as s onar,radar,ti m e do main reflect ometry (T DR are difficult for the real ti m e l ocal s

6、our monit oring because of its bad surr oundings ar ound the p iers .A ne w kind of F BG s ouring sens or f or the l ocal scour was indicated .F BG was encap sulated in GFRP cantilever beam and the structure of the sens or was op ti m ized by Ansys s oft w are .Then gr oup s of experi m ents were ca

7、rried out t o validate the characters of the sens or .The s pace res oluti on of the sens or is up t o 011m.Key words:fiber op tics;scouring sens or;F BG;l ocal scour 0引言傳統(tǒng)的沖刷深度測量儀器有人工深度尺、聲納、雷達(dá)和時域反射計(jì)(T DR 等1-2,目前的沖刷監(jiān)測手段缺乏實(shí)用性,一般都有離線、精度低、穩(wěn)定性差、成本高、傳感元件耐久性差等缺點(diǎn)3。近年發(fā)展起來的高性能準(zhǔn)分布光纖光柵傳感元件具有防潮、耐腐、易于傳輸、損耗小、易于布設(shè)

8、、易于組網(wǎng)和實(shí)時監(jiān)測能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),為這一難題的解決提供新的思路4-7。國立臺灣大學(xué)與國家地震工程研究中心聯(lián)合開發(fā)出一款光纖光柵橋梁沖刷傳感器,其傳感探頭是在懸臂圓盤結(jié)構(gòu)中粘貼裸光纖光柵,露出河床的傳感探頭受到水流沖擊,懸臂圓盤發(fā)生抖動,光纖光柵感知圓盤振動變化大,在河床以下的探頭不受水流沖擊時靜止不動,光纖光柵感知圓盤振動變化小,根據(jù)光纖光柵感知振動情況的大小確定河床的沖刷深度,但這種傳感器的設(shè)計(jì)不能排除隨深度變化的覆土土壓力和靜水壓力對傳感探頭的影響,其空間分辨率為015m,且未考慮溫度補(bǔ)償問題,可能造成較大測量誤差。文中提出一種基于光纖光柵傳感原理的高空間分辨率的沖刷傳感器,其監(jiān)測原理是橋

9、墩附近的基礎(chǔ)被沖蝕后,基礎(chǔ)對橋墩的壓力(廣義的認(rèn)為是土壓力就會發(fā)生改變,通過監(jiān)測橋墩附近土層的壓力變化就可以監(jiān)測橋墩基礎(chǔ)被沖刷的深度,而設(shè)計(jì)的沖刷傳感器就是利用光纖光柵監(jiān)測土層壓力變化,進(jìn)而監(jiān)測樁基的沖刷深度。1光纖光柵傳感技術(shù)基本原理當(dāng)布拉格光柵受到外界應(yīng)變或溫度變化時,光柵柵格周期會發(fā)生變化,同時光彈效應(yīng)會導(dǎo)致光柵有效折射率變化,從而光柵中心波長變化,通過監(jiān)測反射光譜中光柵中心波長的變化可以得到外界應(yīng)變或溫度的變化,如圖1所示。圖1光纖光柵原理示意圖第7期潘洪亮等:監(jiān)測樁基沖刷狀態(tài)的新型光纖B ragg 光柵傳感器11由麥克斯韋經(jīng)典方程,結(jié)合光纖耦合模理論,可知 B =2n eff(1式中

10、:B 為光柵的中心波長;n eff 為光柵的有效折射率;為光柵的柵格周期。綜合考慮應(yīng)變及溫度對布拉格光柵的影響,得到B =+T T (2式中:為光柵軸向應(yīng)變與中心波長變化關(guān)系的靈敏度系數(shù);T 為光柵與溫度變化關(guān)系的靈敏度系數(shù)。文中涉及沖刷傳感器的溫度補(bǔ)償方法采用不受力光柵溫度補(bǔ)償技術(shù),因此有應(yīng)變測量光柵:B1=1+T1T (3溫度補(bǔ)償光柵:B2=T2T (4對于同批次光柵,在一定誤差范圍內(nèi)認(rèn)為T 1=T 2,則=B 1-B 21(5當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時,光纖光柵發(fā)生變形,因此土層壓力的變化可表現(xiàn)為光柵中心波長的變化,文中以此作為設(shè)計(jì)沖刷傳感器的理論基礎(chǔ)。2光纖光柵沖刷傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化2

11、11傳感器工作原理設(shè)計(jì)的光纖光柵沖刷傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。樁基附近的土壓力對傳感器內(nèi)不同位置探桿擠壓作用不同,以F BG 作為敏感元件對沖刷位置進(jìn)行監(jiān)測,其中F BG 被封裝在玻璃纖維增強(qiáng)樹脂(FRP 的懸臂梁內(nèi)。其主要部件包括:(1FRP 懸臂梁:將栓桿的土壓力傳遞至光纖光柵;(2光纖光柵:應(yīng)變監(jiān)測光纖光柵用于監(jiān)測懸臂梁的變形,溫度補(bǔ)償光纖光柵用于應(yīng)變監(jiān)測的溫度補(bǔ)償;(3土壓力傳遞機(jī)構(gòu):包括預(yù)置小剛度彈簧、傳力栓桿、傳力圓盤;(4復(fù)位螺栓:傳感器初始狀態(tài)的復(fù)位。 沖刷傳感器的工作原理(圖3所示為:安裝前,對傳感器進(jìn)行復(fù)位,懸臂梁的下端與所有的傳力栓桿分離,按監(jiān)測要求將傳感器布設(shè)安裝到

12、橋墩附近土層的相應(yīng)層段中,取消復(fù)位,則懸臂梁與第一個傳力桿接觸;當(dāng)樁基土層被水流沖蝕到一定程度時(傳感器所示空間分辨率的下一基點(diǎn),第一個預(yù)埋的土壓力傳力桿露出樁基土層,作用在傳力桿上的土壓力和FRP 粱的壓力不平衡,傳力桿失去對梁的限位作用,此時FRP 懸臂梁與第二個預(yù)埋位置的壓力桿接觸。2個傳力桿及圓盤安裝位置和尺寸的不同,光纖光柵所感知的應(yīng)變亦不同,此時光纖光柵會監(jiān)測到一個應(yīng)變變化,從而得知外界土層厚度信息。第二個壓力桿以及其他傳力桿的位置由傳感器規(guī)定的空間分辨率以及土層參數(shù)決定,其他傳力桿的工作模式類似。212傳感器尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器工作時,樁基附近的土壓力提供約束,通過傳力圓盤、傳力

13、桿傳遞至復(fù)合F BG 的FRP 懸臂梁端的壓力,因此梁所受到的荷載與傳感器本身尺寸密切相關(guān)。傳感器采用復(fù)合F BG1的GFRP 懸臂梁作為敏感元件,用于監(jiān)測外界壓力的變化,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳感器監(jiān)測長度為012m,空間分辨率為011m,需要3個傳力機(jī)構(gòu),對應(yīng)懸臂梁的受力位置就有3個,因此無法設(shè)計(jì)為等強(qiáng)度梁。但為了保證梁的根部具有較好的等應(yīng)變區(qū)域方便測量,設(shè)計(jì)采用類似等強(qiáng)度梁的形狀。光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器F BG2被封裝在一鐵筒內(nèi),不受外界壓力影響,只監(jiān)測溫度變化,其位置粘貼在懸臂梁背面。梁的設(shè)計(jì)尺寸見圖4。圖4梁的具體尺寸采用ANSYS 建立模型,考慮光纖光柵的極限應(yīng)變,以及光柵具有足夠的量程和

14、精度,通過施加不同大小的位移荷載,進(jìn)行受力分析。梁采用GFRP 材料,在懸臂梁不受載荷的情況下其模型如圖5所示。懸臂梁在不同位置承受不同載荷的情況下,其光柵處的變形不同,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義在于在接近土層壓力情況的載荷下,充分考慮光柵的精度和量程,設(shè)計(jì)合理的傳力桿的結(jié)構(gòu)和尺寸,以保證光柵段對土層壓力的敏感。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,在距離懸臂梁端部500mm,600mm,700mm 處分別施加50mm,50mm,30mm 的位移載荷時,模擬3個不同的傳力桿與懸臂梁接觸時的位移,此時光柵處的平均應(yīng)變分別為784,511,211,其應(yīng)變云圖如圖6圖8所示,此設(shè)計(jì)結(jié)果可保證沖刷傳感器在滿足設(shè)計(jì)精度和量程要求的基

15、礎(chǔ)12I nstru ment Technique and Sens orJul 12010上,具有一定的強(qiáng)度和土壓力監(jiān)測的冗余度。以此為基礎(chǔ)結(jié)合傳感器的整體尺寸,設(shè)計(jì)傳感器的3個傳力桿件的長度分別為110mm,100mm,90mm. 3光纖光柵沖刷傳感器的性能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)容器中裝填砂土再挖出的方法模擬樁基附近土層被沖蝕的工況,光纖光柵解調(diào)設(shè)備采用多波長計(jì)AQ6741,實(shí)驗(yàn)布置示意圖如圖9所示。 圖9沖刷傳感器性能實(shí)驗(yàn)示意圖傳感器的初始狀態(tài)是傳感器的懸臂梁處于自由狀態(tài),此時F BG1的中心波長為15301054n m,F BG2的中心波長值為15341064n m,此時為F BG1未發(fā)

16、生變形將其應(yīng)變量記為0.復(fù)位狀態(tài)是將復(fù)位螺栓復(fù)位,懸臂梁的彎曲變形受到復(fù)位螺栓的限制,同時將傳感器置于實(shí)驗(yàn)容器中,并以土層覆蓋至傳感器監(jiān)測量程(1m 以上的位置,此時模擬傳感器置入樁基附近土層時的受力狀態(tài)。復(fù)位狀態(tài)下F BG1的中心波長值為15301612n m,F BG2的中心波長值為15341062n m.在此基礎(chǔ)上,傳感器進(jìn)入工作狀態(tài),各部件如圖9所示。其性能實(shí)驗(yàn)主要分為4步:(1松開或撤掉復(fù)位螺栓,土層的壓力作用于傳感器的傳力桿1,傳力桿1使土壓力與懸臂梁受力平衡,懸臂梁的彎曲程度較初始狀態(tài)發(fā)生變化,此時F BG1的中心波長變?yōu)?5301427n m,F BG2的中心波長為153410

17、64n m,此時光柵處應(yīng)變?yōu)?1018,傳感器處于第一工作狀態(tài),此時模擬樁基未被沖刷的工況。(2當(dāng)樁基受到?jīng)_蝕,土層位置下降,傳感器的傳力桿1露出土層,失去土層壓力的傳力桿1被懸臂梁彈出,懸臂梁彎曲程度改變并與傳力桿2接觸,傳遞土層壓力至光柵處的變形,此時F BG1的中心波長變?yōu)?5301349n m,F BG2的中心波長為15341061n m,此時光柵處應(yīng)變?yōu)?46,傳感器處于第二工作狀態(tài),說明此時樁基受到?jīng)_蝕。(3樁基繼續(xù)受到?jīng)_蝕,土層位置繼續(xù)下降,傳感器的傳力桿2露出土層,失去土層壓力的傳力桿2被懸臂梁彈出,懸臂梁彎曲程度改變并與傳力桿3接觸,傳遞土層壓力至光柵處的變形,此時F BG1

18、的中心波長變?yōu)?5301264n m,F BG2的中心波長為15341063n m,此時光柵處應(yīng)變?yōu)?10,傳感器處于第三工作狀態(tài),說明此時樁基相對第一工作狀態(tài)被沖蝕了011m,可設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行警示。此011m 即為傳感器所設(shè)定的空間分辨率。(4如第三工作狀態(tài)的預(yù)警位置未到?jīng)_刷臨界位置,沖蝕繼續(xù),土層位置繼續(xù)下降,傳力桿3露出土層被懸臂梁彈出,懸臂梁將處于自由狀態(tài),此時F BG1的中心波長為15301062n m,F BG2的中心波長為15341061n m,此時光柵處應(yīng)變?yōu)?12,再繼續(xù)工作將超出傳感器的工作范圍,此時土層位置已較初始狀態(tài)下降012m,此012m 即為傳感器所設(shè)定的量程。實(shí)

19、驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1沖刷傳感器性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號工作狀態(tài)F BG1中心波長/nmF BG2中心波長/nm應(yīng)變/理論應(yīng)變/1初始狀態(tài)1530105415341064002復(fù)位狀態(tài)15301612153410624659123工作狀態(tài)11530142715341064310187844工作狀態(tài)215301349153410612465145工作狀態(tài)315301264153410631752116超出監(jiān)測范圍1530106215341061617可以看出,在土層接觸不同栓桿時,監(jiān)測得到的懸臂梁的變形可以區(qū)分傳感器的不同工作狀態(tài),如圖10所示,圖中橫坐標(biāo)代表傳感器所處的6個工況。作為溫度補(bǔ)償傳感器的F

20、 BG2在整個實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)值變化不大說明實(shí)驗(yàn)過程中溫度未發(fā)生較大變化,符合實(shí)際情況,溫度補(bǔ)償效果也得到驗(yàn)證,如圖11所示。實(shí)驗(yàn)中F BG2測得懸臂的梁應(yīng)變與Ansys 計(jì)算的應(yīng)變值存在一定差別,其主要原因是由于GFRP -OF BG 懸臂梁的加工過程中不能嚴(yán)格保證光柵所處于FRP 梁上的位置準(zhǔn)確,且懸臂梁結(jié)構(gòu)長而薄,易導(dǎo)致測量應(yīng)變的誤差,但該設(shè)計(jì)各工作狀態(tài)懸臂梁的變形差別較(下轉(zhuǎn)第15頁第7期馬勇等:基于積分球算法的新式瓦斯傳感器15源信號的強(qiáng)度很小,結(jié)果就不易測出,所以在系統(tǒng)中引入鎖相放大模塊,這種信號處理技術(shù)對所測信號具有極高的放大倍數(shù),可以高效地檢測并放大微弱的交流信號7。 實(shí)驗(yàn)中進(jìn)氣孔

21、通過針閥控制注入氣室的氣體流量,出氣孔接有真空泵,可使氣室抽真空。將不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的瓦斯氣體以150mL /m in 的流速緩慢通過積分球吸收氣室進(jìn)行測量,并進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),以檢測此積分球瓦斯檢測系統(tǒng)的重復(fù)性是否足夠好,能否滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示如圖4所示。 圖3甲烷濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研制的瓦斯氣體傳感器系統(tǒng)的性能穩(wěn)定,準(zhǔn)確度高,重復(fù)性好。理論值與計(jì)算值幾近相同,與實(shí)驗(yàn)預(yù)想匹配的很好,說明提出的積分球算法的想法在瓦斯?jié)舛鹊臋z測中實(shí)現(xiàn)的很好。4結(jié)束語文中首次將積分球做為瓦斯氣體傳感器的吸收氣室,充分利用了積分球可以增加傳感長度的優(yōu)點(diǎn),巧妙的解決了以往瓦斯檢測傳感器氣體傳

22、感長度和體積之間的矛盾關(guān)系,在有限的體積內(nèi)獲得了更長的傳感長度,結(jié)果表現(xiàn)出了極高的靈敏度和極強(qiáng)的穩(wěn)定性,為瓦斯檢測研究提出了一種新方法、新途徑。圖4甲烷算法值與標(biāo)準(zhǔn)濃度關(guān)系圖參考文獻(xiàn):1王書濤,車仁生,王玉田,等.光纖甲烷氣體傳感器的研究.儀器儀表學(xué)報,2006,27(10:1276-1279.2王立新,張愛軍,張宇,等.光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究.傳感器技術(shù),2005,24(1:12-13.3張景超,管立君.基于近紅外吸收原理的甲烷濃度檢測研究:學(xué)位論文.秦始島:燕山大學(xué),2008.4張岡,王軍,撒繼銘,等.基于光譜吸收的光纖氣體傳感器光源波長穩(wěn)定控制技術(shù).儀表技術(shù)與傳感器,2008(3

23、:4-5.5張記龍,閆曉梅.用于瓦斯檢測的DF B 激光器驅(qū)動與溫控系統(tǒng)研究:學(xué)位論文.太原:中北大學(xué),2007.6武婧.吸收型光纖氣體傳感器氣室設(shè)計(jì)概況.中國高新技術(shù),2009,122(11:18-19.7朱平,劉光達(dá),田磊,等.光纖瓦斯氣體檢測中鎖相放大器的設(shè)計(jì)應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器,2007(3:49-51.作者簡介:馬勇(1967,副教授,學(xué)士,碩士生導(dǎo)師,主要從事工程分析與計(jì)算方面的研究。E 2mail:fortunate_w(上接第12頁大,即便存在誤差也可達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)目的,區(qū)分不同工作階段,監(jiān)測沖刷狀態(tài)。該設(shè)計(jì)的光纖光柵沖刷傳感器僅用2個光柵就可以識別出覆土層與栓桿的接觸狀態(tài),且光柵的中心波長差別足夠大,可以區(qū)分不同深度的沖刷狀況,從驗(yàn)證了方案的可行性。實(shí)驗(yàn)制作的沖刷傳感器鑒于實(shí)驗(yàn)方便設(shè)計(jì)的量程僅為012m,在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體的監(jiān)測長度適當(dāng)改變傳感器的結(jié)構(gòu)或增加數(shù)量,提高量程。 4結(jié)束語文中提出一種基于光纖光柵的沖刷監(jiān)測方法,并以此設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)分布式高空間分辨率的沖刷傳感器,空間分辨率達(dá)011m,同時實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器工作的可行性,為解決橋梁的樁基沖刷問題提供了一種方法,后續(xù)的研究工作將進(jìn)行傳感器的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)場工況改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu),以期解決實(shí)際工程中的橋梁樁基沖刷問題。該監(jiān)測方法具有實(shí)時監(jiān)測、精度高、耐腐