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)人稱為Bragg波長(zhǎng)，這種傳感器稱為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)類型。必基于殊FB求G葵傳感無(wú)網(wǎng)絡(luò)反的虛觀擬儀勉器結(jié)采構(gòu)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(guān)系撤，而示且，零內(nèi)部辭帶有魯抗混扒濾波宋器和瑞高達(dá)奉24徒位的陜分辨援力，咐可以巾實(shí)現(xiàn)楚精密費(fèi)的測(cè)裂量；掛每通便道施20霧0問(wèn)k屬的采騰用率貌足夠太滿足熱應(yīng)變陪和溫打度的尼測(cè)試糖速度購(gòu)要求扣。數(shù)陸據(jù)采毯集卡跳將對(duì)水應(yīng)敗FB辟G沈波長(zhǎng)蝦的電遠(yuǎn)信號(hào)族進(jìn)行廁A/咳D扯轉(zhuǎn)換麥，經(jīng)葡過(guò)解La江bV郊IE丑W戶軟件染轉(zhuǎn)換恥為波蛋長(zhǎng)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(zhǎng)碧變化霞，與盞被測(cè)惠量的謎應(yīng)變族和溫池度信便號(hào)直險(xiǎn)接有尺線性揮的對(duì)寨應(yīng)關(guān)棚系。喇在虛莊擬儀隆器平豪臺(tái)上拴得到場(chǎng)被測(cè)份量物增理量飯的實(shí)禮際值督以后頓進(jìn)行狼信號(hào)攪的進(jìn)孩一步單分析窩處理濟(jì)，開漲發(fā)符驗(yàn)合工權(quán)程要這求的忽應(yīng)用熟系統(tǒng)嶄。旅三、參橋墩追變形鳴監(jiān)測(cè)銷系統(tǒng)撒頂推繪法施漫工過(guò)曉程是猾沿橋窩軸線笑方向繪的橋籌臺(tái)后駱?lè)侄螡犷A(yù)制巴混凝輕土疑梁段鋪，用炭縱向杠預(yù)應(yīng)瞧力膀筋連很成整協(xié)體，柏用液硬壓頂歡推設(shè)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(tái)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(duì)運(yùn)綢動(dòng)的嚷瞬間和產(chǎn)生訂較大左的摩禮擦力霜。橋嫂墩在淘這個(gè)拐摩擦做力的捕作用堅(jiān)下將邀沿梁菊移動(dòng)游的方辟向產(chǎn)拜生水您平位惕移，擊導(dǎo)致英橋墩蟲的彎丹曲變受形。紗將橋國(guó)墩簡(jiǎn)迎化為枝一個(gè)獨(dú)懸臂隱梁結(jié)地構(gòu)，濕如圖鈔3次所示鑄。索橋墩千受力你簡(jiǎn)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(luò)器，網(wǎng)測(cè)量泥此處寒應(yīng)變萍ε察。根風(fēng)據(jù)材紙料力保學(xué)理慮論估式中訴e銀為橋庭墩上屯距離撿基礎(chǔ)檔x域ε鴉處的惰應(yīng)變第；卸σ榜為橋咬墩上符距離康基礎(chǔ)恒x師ε紫處的計(jì)應(yīng)力患，缸Pa鉗;崗E教為混繼凝土敲的彈獎(jiǎng)性模拐量，箏Pa哥;蜂M悟?yàn)闃蝻椂粘心艿奶訌澗孛?，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(cè)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(diǎn)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(guó)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(cè)量夕到的希應(yīng)變痰值、賠應(yīng)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(shí)時(shí)趙監(jiān)測(cè)多墩頂們的水臣平位齡移。呼蕩蠢應(yīng)變盼測(cè)量哈范圍任是逢FB亡G棕傳感脹器設(shè)悄計(jì)的皇一個(gè)拌重要奇問(wèn)題童。一秤座高猜速公仗路高繼架橋痛的橋風(fēng)墩設(shè)梢計(jì)最鄰大偏盛轉(zhuǎn)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(jì)響算得毒到被丙監(jiān)測(cè)度的參您數(shù)范易圍如公表抵1道。常努藏對(duì)于忘鍺硅哭光纖飽應(yīng)變隆傳感里器，鴉應(yīng)變藝值丘ε頃和中姜心波息長(zhǎng)漂冬移叮Δλ銀、中森心波爽長(zhǎng)雁λ萍的關(guān)芹系為寧完即序即應(yīng)斬變值擦為柄10槳-6敬時(shí)產(chǎn)還生的柔中心矛波長(zhǎng)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(zhǎng)范棉圍，謠如果差一路火光纖鴉布設(shè)符10霧個(gè)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(cè)淡量應(yīng)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(nèi)匯反射跟光譜暮不會(huì)大重疊登。抄烏雁為了全檢驗(yàn)白系統(tǒng)薯性能閥，將翻各芳FB范G拒傳感四器安測(cè)裝于應(yīng)彈性溪變形本構(gòu)件木上進(jìn)讀行測(cè)聯(lián)試，帽得到擇表窮2沉的實(shí)什驗(yàn)數(shù)賊據(jù)。宗隱證橋墩典位移兄監(jiān)測(cè)氣系統(tǒng)稅以工袍業(yè)控偷制計(jì)怕算機(jī)所為核杜心，毫在計(jì)習(xí)算機(jī)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(hào)，憤另一憐塊采兼集頂塘推油畏壓信順號(hào)，饑輸出念報(bào)警怎信號(hào)扎和頂玉推控悔制信室k雷號(hào)。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(lì)－致MA萌）無(wú)揭線網(wǎng)歪卡通架過(guò)移賓動(dòng)公饑網(wǎng)接寸人瓦In恢te安rn業(yè)et辰實(shí)現(xiàn)吼遠(yuǎn)程封監(jiān)控亡。橋坦墩位聯(lián)移監(jiān)泛控系動(dòng)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(bào)告筍打印底、控綠制信焦號(hào)輸奮出和泡錯(cuò)誤鍬事件宴處理淋等模佛塊組成成。肆四、蒙結(jié)論句甘限根據(jù)穗橋梁石施工征監(jiān)控靠系統(tǒng)鐘的實(shí)新際需廟求，嗚對(duì)光偷纖光桌柵傳歉感網(wǎng)皮絡(luò)進(jìn)夫行測(cè)的試，奏傳感櫻器的對(duì)量程命和分滾辨力剝均滿頂足設(shè)披計(jì)要峽求；染可以流進(jìn)行棵45慌k呀m志以上蠅的遠(yuǎn)愧距離乖測(cè)量準(zhǔn)，在微復(fù)雜濱惡劣到的環(huán)暴境下善，具認(rèn)有極被好的長(zhǎng)穩(wěn)定賤性和殲可靠爹性。里在虛刻擬儀碎器平腦臺(tái)上隙構(gòu)建跟F