基于光纤光栅传感技术的桥梁施工监控

基于光纤光栅传感技术的桥梁施工监控一、引言顶推法是近年来发展迅速的大型桥梁施工工艺，过去由于缺少先进的测量手段，国内在桥梁顶推施工时，往往采用经纬仪或全站仪进行人工监测，效率低、速度慢、精度差，实际效果很不理想，难以保证施工安全和桥梁宏观质量。工业发达国家一般都要求对顶推施工过程进行自动监控。随着交通事业的快速发展，我国对桥梁顶推过程自动监控也越来越重视，2004年，交通部西部交通建设科技项目招标中就有墩梁受力变形安全控制的内容。传统的机电类传感器在抗干扰、耐潮湿、持久稳定等方面的性能已经不能适应桥梁顶推施工监控的复杂要求和施工现场的恶劣环境。因此，研究光纤光栅传感技术在桥梁施工监控中的应用是工程实践的紧迫要求。测试系统要求测量应变的范围为±1000x10-6，应变的分辨力为±1x10-6。为了快速组建智能化的施工监控系统，将系统构建在目前逐渐成为测控领域主流技术的虚拟仪器平台上，充分利用现代信息技术的优势，在同一个系统中，集成光纤光栅传感解调和顶推施工过程监控。二、光纤光栅传感器结构原理光纤光栅传感器是二十世纪末才发展起来的一种新型光纤传感器，它采用波长调制，因此，克服了传统的光强型和干涉型光纤传感器测量精度受光纤弯曲和连接损耗影响、相位测量模糊等缺陷。光纤光栅传感器的原理如图1所示。利用光纤材料的光敏性，通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光li通过传输光纤射人时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光lr，其余宽带光lt继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处进行反射，多个光纤光栅阵列形成光纤光栅传感网络。各光纤光栅反射光的中心波长λ为式中n为纤芯的有效折射率；Λ为纤芯折射率的调制周期。目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期Λ＜1μm的短周期光纤光栅传感器，其反射波长人称为Bragg波长，这种传感器称为FBG传感器。根据式（1），解调出反射光波长即可以寻址到FBG传感网络中每个传感器。反射回来的窄带光的中心波长随着作用于FBG的温度和应变成线性变化，中心波长的变化量为式中ε为应变量；Δt为温度变化量，℃。由式（2）可知，FBG反射光中心波长同时受温度和应变的影响，交叉敏感的问题是目前FBG应用研究的一个热点，比较成熟的方法是采用同种温度环境下的FBG温度补偿传感器进行克服。这样，也满足了很多场合下温度和应变同时测量的要求。波长编码的解调是FBG传感器应用中的关键问题。在各种波长解调技术中，可调谐F-P腔滤波法体积小、价格低、灵敏度高，是一种很有工程实用价值的方法。这种方法利用压电陶瓷驱动F-P腔长变化改变其透射光波长，当透射波长与FBG反射波长一致时，光探测器检测到最大光强，此时，压电陶瓷的驱动电压即对应传感光栅波长。2在虚拟仪器平台上开发光纤光栅传感网络虚拟仪器技术是微计算机技术应用于测控领域的优秀成果，自20世纪80年代以来，随着世界范围内采用虚拟仪器开发的工程与科研成功实例大量涌现，虚拟仪器已经逐步成为测控领域的主流技术。虚拟仪器技术可以采用基本相同的硬件结构完成测控系统的通用任务，由用户通过修改软件来定制仪器的具体功能。目前，最流行的虚拟仪器软件开发环境LabVIEW采用高效率的图形编程语言，提供了几乎所有经典信号处理的函数和大量高级信号分析工具；LabVIEW程序非常容易和各种数据采集硬件集成，极大地方便了测控系统的开发；LabVIEW本身提供了一种叫做Datasocket的网络技术，可以非常方便灵活地与Internet和Intranet连接，实现测控系统信息共享；LabVIEW可以快速的与SQL-Server等大型数据库链接，便于测试数据存储和管理；由于虚拟仪器在信号的分析、处理、显示、存储和传输等方面的巨大优势，极大地强化了FBG传感网络的功能。FBG传感器与虚拟仪器相结合，丰富了虚拟仪器的硬件结构类型。基于FBG传感网络的虚拟仪器结构如图2所示。数据采集卡采用NI-4472多通道同步卡，它不仅能保持参考光和FBG反射光的正确相位关系，而且，内部带有抗混滤波器和高达24位的分辨力，可以实现精密的测量；每通道200k的采用率足够满足应变和温度的测试速度要求。数据采集卡将对应FBG波长的电信号进行A/D转换，经过LabVIEW软件转换为波长值。根据参考光信息解算出的FBG波长变化，与被测量的应变和温度信号直接有线性的对应关系。在虚拟仪器平台上得到被测量物理量的实际值以后进行信号的进一步分析处理，开发符合工程要求的应用系统。三、桥墩变形监测系统顶推法施工过程是沿桥轴线方向的桥台后分段预制混凝土梁段，用纵向预应力筋连成整体，用液压顶推设备沿桥墩顶面逐段顶出去，再在空出的制梁台座上继续下一梁段浇注，依次顶推到桥梁的另一端以完成桥面的施工。由于梁的自重很大，使桥墩顶端和梁之间开始发生相对运动的瞬间产生较大的摩擦力。桥墩在这个摩擦力的作用下将沿梁移动的方向产生水平位移，导致桥墩的弯曲变形。将桥墩简化为一个悬臂梁结构，如图3所示。桥墩受力简图如图4所示，在距离固定端xε，的位置安装FBG传感器，测量此处应变ε。根据材料力学理论式中e为桥墩上距离基础xε处的应变；σ为桥墩上距离基础xε处的应力，Pa;E为混凝土的弹性模量，Pa;M为桥墩承受的弯矩，N·m；F为墩顶受到的摩擦力,N;W为桥墩的抗弯截面模量，m3。由式（3），可以得到墩顶受到的摩擦力将式（4）代人悬臂梁的挠曲线方程式中y为桥墩任意一点的挠度,m;x为求挠度的截面与固定端的距离m；I为桥墩的截面惯性矩，m4；l为桥墩的高度，m。根据式（5）可以描绘出桥墩的变形曲线，并且，可以得到墩顶的水平位移依式（6），根据测量到的应变值、应变传感器的安装位置和桥墩的几何尺寸，就可以实时监测墩顶的水平位移。应变测量范围是FBG传感器设计的一个重要问题。一座高速公路高架桥的桥墩设计最大偏转角为±30'，由此并根据桥墩几何尺寸和式（6）计算得到被监测的参数范围如表1。对于锗硅光纤应变传感器，应变值ε和中心波长漂移Δλ、中心波长λ的关系为即应变值为10-6时产生的中心波长漂移为1.2pm。目前，FBG传感器普遍采用1520～1570nm的波长范围，如果一路光纤布设10个传感器，它们的中心频率间隔为5nm，测量应变范围约为±2000x10-6，在此量程范围内反射光谱不会重叠。为了检验系统性能，将各FBG传感器安装于弹性变形构件上进行测试，得到表2的实验数据。桥墩位移监测系统以工业控制计算机为核心，在计算机PCI总线插槽安装两块数据采集卡，一块采集FBG传感器信号，另一块采集顶推油压信号，输出报警信号和顶推控制信k号。采用码分多址（codedivisionmultipleaccess，CD－MA）无线网卡通过移动公网接人Internet实现远程监控。桥墩位移监控系统软件由数据采集与处理、桥墩挠曲线绘制、数据传输与记录、报告打印、控制信号输出和错误事件处理等模块组成。四、结论根据桥梁施工监控系统的实际需求，对光纤光栅传感网络进行测试，传感器的量程和分辨力均满足设计要求；可以进行45km以上的远距离测量，在复杂恶劣的环境下，具有极好的稳定性和可靠性。在虚拟仪器平台上构建FBG传感网络，具有良好的扩展性和可移植性，根据不同的施工环境、工艺要求和桥梁结构，只需要大约相当于修改程序流程图的工作量，就可以快速组建新的监控系统。通过研究高架桥顶推施工监测的实例，FBG传感技术与虚拟仪器相结合将对保证桥梁施工安全和提高桥梁质量发挥重要作用。