基于光纤布拉格光栅的桥梁检测
- 格式:pdf
- 大小:392.55 KB
- 文档页数:4
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±1000 x10 -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。
作者简介:郭飞(1979-),男,河南南阳人,工程师,从事交通工程设计。
基于光纤布拉格光栅的桥梁检测郭飞1,2,彭俊英3(1.浙江省交通规划设计研究院,浙江杭州300012;2.长安大学,陕西西安710064;3.杭州市余杭区交通重点工程建设管理处,浙江杭州31000)摘要:基于光纤光栅传感技术,采用光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅位移计对一座既有预应力钢筋混凝土空心板桥的静、动载试验进行了测试;对比分析了传统传感技术与光纤光栅传感技术的测试结果。
结果表明:传统传感器和光纤传感器实桥测量结果与计算结果均能吻合,均能够反映出桥梁的实际受力状态;且光纤光栅传感器可以真实反映加载的整个过程,实现加载过程的实时连续监控。
关键词:桥梁工程;布拉格光栅;光纤光栅传感器;既有桥梁;荷载试验中图分类号:U446文献标识码:B1引言光纤光栅传感器是一种新型的光纤无源器件。
它与传统的传感器相比具有较多优点,如灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易与计算机连接、便于遥控测量等;并且由于光纤的直径小、质量轻,可弯曲,既可埋入复合材料,也可粘贴在材料的表面,与待测材料有着良好的相容性。
采用光栅光纤传感器可沿同一根光纤布置多个传感器,实现对待测结构的准分布式测量。
在桥梁结构检测中,光纤传感器可以用来采集结构的应变应力、温度、动态响应、腐蚀状况、裂缝情况以及交通状况等多种参数,并且灵敏度较高,是一种理想的传感装置。
到目前为止,光纤光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等领域。
从光纤传感器的传感机理来看,主要分为强度型、干涉型和布拉格光栅(Fiber Bragg Grating )波长型3种。
本文基于布拉格光纤传感技术,介绍了光纤传感器的安装工艺,采用混凝土表面式光纤应变传感器、光纤温度传感器、光纤位移计,完成了某座预应力钢筋混凝土空心板的静、动力荷载试验,并将此结果与传统电阻传感器所测结果进行了对比和分析。
光纤光栅传感器在桥梁安全监测中的应用姓名:孙红月安徽建筑工业学院08安全工程2班(学号:08201040237)摘要:近年来,随着光纤通信技术向着超高速、大容量通信系统的方向发展,以及逐步向全光网络的演进.在光通信迅猛发展的带动下,光纤光栅已成为发展最为迅速的光纤无光源器件之一。
光纤在紫外光强激光照射下,利用光纤纤芯的光敏感特性.光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。
这样,在光纤轴向上就会形成周期性的折射率波动,即为光纤光栅。
由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点,因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用。
为此。
本文从光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅等光纤光栅的原理出发,综述了光纤布拉格光栅对温度、应变同时测量技术的应用。
关键词:光纤光栅传感器桥梁工程安全检测光纤传感器的工作原理1·光纤光栅传感器的结构它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,从而在光纤上形成周期性的光栅,故称为光纤光栅。
图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。
在图1所示的光纤光栅传感器结构中,光源为宽谱光源且有足够大的功率,以保证光栅反射信号良好的信噪比。
一般选用侧面发光二极管ELED的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50~100 μW。
而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。
由光纤光栅反射回的光信号可通过3 dB光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器,然后通过光探测器进行光电转换,最后由计算机进行分析、储存,并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。
光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点外.还具有在一根光纤内集成多个传感器复用的特点,并可实现多点测量功能。
2·光纤布拉格光栅原理光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件式中,λB为Bragg波长,n为有效折射率,A为光栅周期。
当作用于光纤光栅的被测物理量(如温度、应力等)发生变化时,会引起n和A的相应改变,从而导致λB的漂移;反过来,通过检测λB的漂移。
光纤光栅在桥梁监测的实用你知道吗,桥梁在我们的生活中真是无处不在。
无论是穿越大江大河,还是日常的通勤,桥梁都在默默为我们的出行保驾护航。
可你想过没有,这些庞然大物,平时看起来稳稳当当,其实在承受着不少压力呢。
地震啊,风雨啊,车辆的震动啊,这些都在不断考验着它们的“身体”。
如果桥梁生病了,可不得了啊,轻则影响交通,重则甚至可能带来灾难。
所以,保持桥梁健康,可是关系到每一个人的安全呢。
这时候,光纤光栅这种技术的出现,简直就是桥梁“体检”的超级好帮手!你可能会想,光纤光栅是什么鬼?别急,让我慢慢给你说。
简单来说,光纤光栅就是一种能在桥梁的结构中实时监测各种信息的高科技设备。
它通过一根细细的光纤,将光信号传输到桥梁的各个关键部位,然后分析这些信号,告诉我们桥梁是不是有问题,哪里有问题。
打个比方,它就像是桥梁的“健康码”,每时每刻都在为你监测“身体状况”。
你可能已经猜到了,光纤光栅到底有多厉害了吧。
传统的桥梁监测方法,通常是通过传感器或者仪器来收集数据。
可是,这些设备往往只能监测到桥梁外部的状态,哪怕是准确无误,遇到个别地方有隐患,依然没办法及时发现。
而光纤光栅就不一样了,它通过在桥梁的核心结构中埋设光纤传感器,可以更精准、更全面地对桥梁进行监控。
这就好比你平时去医院体检,医生不光给你量体温,检查心跳,还会看看你身体的各个细节,做到万无一失。
光纤光栅的优势就在这里,它能实时把桥梁各个部位的数据传回监测中心,随时掌握“健康状况”。
你要是觉得光纤光栅只是个高大上的东西,没什么用,那就大错特错了。
别看它高大上,其实应用起来超简单。
你想,桥梁的监测就像是给它做定期体检,传统的方法是人工测量,测量个几百个点,工作量巨大,而且耗时耗力。
光纤光栅不一样,数据通过光纤自动传送,比人工方法可省事多了。
实时性强,能够瞬间捕捉到桥梁的任何变化。
假设桥梁上的某根钢筋出现了裂缝,或者桥面出现了松动,光纤光栅能第一时间发现问题,立即传回警报。
基于光纤光栅传感的桥梁监测采集系统
刘军;姜德生
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2009(0)16
【摘要】光纤布喇格光栅对应力应变或温度微小变化而产生相应的中心波长变化,对该波长进行编码,利用角度调谐法布里-珀罗滤波器实现波长的调谐,指出了对解调仪同一通道选择传感器应参考中心波长的差异;通过光纤光栅传感器构建了一个实际应用的分布式光纤光栅传感采集网络,并结合嵌入式数据库,详细设计了采集系统软件模块,该系统在国内多座大型桥梁健康监测中得到应用,为桥梁健康监测系统提供了长期在线和准确可靠的海量数据.
【总页数】3页(P156-158)
【作者】刘军;姜德生
【作者单位】430070,湖北,武汉,武汉理工大学光纤传感技术研究中心;430070,湖北,武汉,武汉理工大学光纤传感技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.基于ZigBee技术的桥梁监测数据采集系统关键技术研发 [J], 季璇;陈航;陈仁进;黄晓丹;谭灵生
2.光纤光栅传感系统数据采集与处理技术 [J], 王晓东;王真之;叶庆卫;周宇
3.时分复用光纤光栅传感系统的高速采集技术研究 [J], 巩鑫;华灯鑫;李仕春;辛文辉;胡辽林
4.基于可视化的光纤光栅温度传感器数据采集分析应用 [J], 熊艺文;林奕森;赵克
5.基于电力系统监测的光纤光栅传感器采集装置研究 [J], 吴卫东;杜蔚然;谢加荣因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
光纤光栅传感器在桥梁监测中的应用摘要:文章阐述了光纤光栅传感器的工作原理和用于桥梁监测的特点,重点给出了光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用。
关键词:光纤光栅传感器桥梁监测缺陷检测1.引言在桥梁的在线监测中,以往主要采用常规的电类传感测量技术如电阻应变片、振弦式传感器等。
但电阻应变片发生的零点漂移会使其长期测试的结果严重失真;振弦式传感器的灵敏度和稳定性虽然较好,但因为钢弦丝长期处于张紧状态,蠕变因素影响较大。
由于常规的电类传感检测手段易受电磁干扰、布线复杂、时效性低等问题,并且所测量的瞬时结果不能准确连续预报桥梁工作状态等缺点,因而均难以实现对桥梁结构安全状态的长期监测。
自1993年加拿大多伦多大学的研究者率先在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥上布置光纤传感器进行桥梁监测至今,光纤光栅传感技术已广泛应用于桥梁等重大土木工程的监测中。
目前国内也已开始在桥梁监测中应用光纤光栅传感技术,如南京长江第三大桥、巴东长江大桥等。
2.光纤光栅传感器的工作原理Bragg传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射布拉格波长光谱的检测,来实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。
而Bragg光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和纤芯的有效折射率neff,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移。
光纤光栅中心波长为:λB=2neffΛ(式中neff为光纤光栅的有效折射率;Λ为光纤光栅间隔或周期)。
当宽光谱光源照射光纤时,由于光栅的作用,在Bragg波长处的一个窄带光谱部分将被反射回来。
反射信号的带宽与光栅长度有关,典型的光栅反射带宽是0.05~0.3nm。
Bragg光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的,而目前对Bragg光栅波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率。
因而其具有测量灵敏度高的特点,而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置,与光强无关,对光强的波动不敏感,比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。
基于光纤传感技术的桥梁结构安全监测系统研发近年来,随着城市化进程的加速,各种交通工具大量投入使用,桥梁建设成为了一个重点。
而桥梁作为城市基础设施之一,对于保障城市交通安全显得尤为重要。
然而桥梁在长期使用过程中,由于振动、风化、冻融等自然因素的影响,桥梁会出现损伤,这时候,为了保障交通安全,就需要进行及时精确的桥梁结构安全监测。
在这个过程中,光纤传感技术能够提供较为理想的解决方案,基于光纤传感技术的桥梁结构安全监测系统研发,也成为了当前领域内的一个热门话题。
1. 光纤传感技术光纤传感技术是一种新兴的智能化感知技术,其基本原理是利用光纤中光的传输特性,实现对光纤周围环境变化的监测。
它可以依据光纤的特殊构造来检测与量化各种物理量的变化,包括温度、压力、位移、形变、应力、振动等多种环境因素,从而达到对某些对象和环境的实时、动态无损检测的目的。
其中,利用光纤传感技术实现的光纤布拉格光栅传感器(FBG)在桥梁结构安全监测中具有极高的应用价值。
它可以通过测量光纤中光的波长来检测出环境中的物理参数(如挠度、拉伸等),而这些参数正是桥梁结构损伤的重要指标之一。
2. 光纤传感技术在桥梁结构安全监测中的应用由于桥梁结构的复杂性和长期震动影响,为了对桥梁结构进行安全监测,需要采用高灵敏度、高精度、高分辨率和全自动化的监测手段。
光纤布拉格光栅传感器由于具有优秀的传感性能,成为了桥梁结构安全监测的理想测量手段之一。
光纤布拉格光栅传感器可以精确地测量桥梁结构的应变和变形,同时能够实时监测桥梁的累积损伤情况,这对于桥梁结构的定期维护和检修提供了很大的帮助。
此外,在桥梁荷载实时监测、桥梁分布式传感器网络构建、桥梁结构智能化管理等领域上,光纤传感技术也具有广泛的应用前景。
3. 基于光纤传感技术的桥梁结构安全监测系统研发目前,国内企业和科研机构对于基于光纤传感技术的桥梁结构安全监测系统研发工作颇为重视,一些工程界领先企业也开始将其作为重点开发项目。
基于光纤布拉格光栅的结构健康监测成像系统一、光纤布拉格光栅简介光纤布拉格光栅(FBG)是一种在光纤纤芯中写入的周期性折射率调制结构。
它具有独特的光学特性,能够对特定波长的光进行反射。
其基本原理基于布拉格衍射,当满足布拉格条件时,入射光会在光栅处被反射,反射光的波长与光栅的周期以及光纤的有效折射率等因素有关。
光纤布拉格光栅具有很多优点。
首先,它体积小、重量轻,易于集成到各种结构中。
其次,它具有良好的线性度和重复性,能够准确地反映外界物理量的变化。
此外,它还具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等特点,适用于各种恶劣环境下的监测应用。
1.1光纤布拉格光栅的制作方法光纤布拉格光栅的制作方法有多种。
其中一种常见的方法是采用紫外光写入技术。
通过将光纤置于含有光敏材料的环境中,利用紫外光照射光纤,使光纤纤芯的折射率发生周期性变化,从而形成光栅结构。
这种方法可以精确控制光栅的周期和折射率调制深度,能够制作出满足不同应用需求的光纤布拉格光栅。
另一种制作方法是采用飞秒激光写入技术。
飞秒激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,可以在光纤中直接写入高质量的光栅结构。
这种方法不需要光敏材料,具有更高的灵活性和适用性,但设备成本相对较高。
1.2光纤布拉格光栅的光学特性光纤布拉格光栅的光学特性主要包括反射谱特性和透射谱特性。
反射谱特性是指光纤布拉格光栅对不同波长光的反射率随波长的变化关系。
当满足布拉格条件时,反射率会出现一个峰值,这个峰值对应的波长称为布拉格波长。
布拉格波长与光栅的周期和光纤的有效折射率成正比关系。
透射谱特性是指光纤布拉格光栅对不同波长光的透射率随波长的变化关系。
在布拉格波长处,透射率会出现一个最小值,这是因为大部分光在该波长处被反射。
通过对反射谱和透射谱特性的研究,可以深入了解光纤布拉格光栅的工作原理和性能,为其在结构健康监测成像系统中的应用提供理论基础。
二、结构健康监测成像系统概述结构健康监测成像系统是一种用于监测结构的完整性和健康状态的系统。
光纤光栅传感技术在桥梁结构内部应变检测中的应用目录一、内容概览...............................................21.研究背景与意义..........................................22.国内外研究现状及发展趋势................................3二、光纤光栅传感技术概述...................................41.光纤光栅传感技术基本原理................................42.光纤光栅传感器类型及应用特点............................53.光纤光栅传感技术优势分析................................6三、桥梁结构内部应变检测需求分析...........................71.桥梁结构特点及安全性能要求..............................82.内部应变检测的重要性与挑战..............................93.桥梁结构内部应变检测关键参数...........................10四、光纤光栅传感技术在桥梁应变检测中的应用................121.桥梁结构应变监测点的布设...............................122.光纤光栅传感器的安装与集成技术.........................143.应变数据的采集、传输与处理.............................15五、光纤光栅传感技术在桥梁应变检测中的实践案例分析........161.案例一.................................................182.案例二.................................................193.实践案例分析总结与经验分享.............................20六、光纤光栅传感技术在桥梁应变检测中的挑战与对策..........211.技术挑战及问题剖析.....................................222.对策与建议.............................................233.未来研究方向与展望.....................................25七、结论与展望............................................261.研究成果总结...........................................272.桥梁应变检测中光纤光栅传感技术的推广应用前景...........27一、内容概览本文档主要探讨光纤光栅传感技术在桥梁结构内部应变检测中的应用。
毕业设计说明书基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究学生姓名:学号:学院:专业:指导教师:2012年6月基于光纤Bragg光栅的建筑物监测技术研究摘要本文以建筑物监测中应变测量系统的设计和实验研究为目的,在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上,归纳了当前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的几个主要问题,并针对光纤布拉格光栅应变测量系统的实际需要,对光纤光栅应变测量系统的各个环节进行了研究。
首先,论文研究了光纤布拉格光栅的传感器原理,其中分析了均匀轴向、横向应力下的光纤光栅传感特性,光纤布拉格光栅温度传感特性,以及光纤布拉格光栅应变、温度测量的交叉敏感特性。
从理论上说明光纤布拉格光栅对于应变测量的可行性。
其次,建立了基于光纤布拉格光栅的应变测量系统,主要选择应用光纤马赫-曾德尔干涉仪与相位生成载波调制解调技术相结合的方法来实现光纤光栅传感信号的解调,并进行了理论分析;并且基于光纤光栅的温度响应特性,提出用一个参考光栅来进行光纤光栅应变测量温度补偿的设计方案。
最后,通过光纤布拉格光栅应变特性实验,并对信号解调部分的锁定放大器、相敏检波参考信号和PZT驱动信号的发生器以及A/D转换电路进行了硬件设计与软件仿真,验证了系统的可行性。
关键词:光纤布拉格光栅,光纤马赫-曾德尔干涉仪,信号解调Building monitoring technology research based on fiber Bragg gratingAbstractThe purpose of this paper is the strain measurement system design and experimental studies in the monitoring of building,on the basis of in-depth analysis of the research status,summed up the the development trend of the fiber Bragg grating sensors and several major issues that need to be addressed in practical applications,according to the actual needs of the strain measurement system for fiber Bragg grating,carried out research on all aspects of the fiber Bragg grating strain measurement system.First, studied the principle of fiber Bragg grating sensors in the thesis, of which, analyzed the characteristics of fiber Bragg grating sensor under uniform axial and transverse stress, fiber Bragg grating temperature sensing properties, and cross sensitivity properties of the fiber Bragg grating strain and temperature measurement. Theoretically show the feasibility of fiber Bragg gratings for strain measurement.Second, designed the strain measurement system based on fiber Bragg gratings, the method mainly choicely is combining the Application of fiber Mach - Zehnder interferometer with the phase generated carrier modulation and demodulation technology to achieve the demodulation of fiber grating sensor signal, and conducted the theoretical analysis. And based on the temperature response characteristics of fiber grating, proposed a design that using a reference grating to achieve temperature compensation for fiber Bragg grating strain measurement.Finally,verified the feasibility of the system by doing the experiment of fiber Bragg grating strain characteristics,and conducting the hardware design and software simulation ,which the lock-in amplifier of the signal demodulation part, the signal generator of the reference signal to the phase sensitive detector and the signal driving the PZT and circuit of A / D converter circuit.Keyword:Fiber Bragg Grating, Optical Fiber Mach - Zehnder Interferometer, The Signal Demodulation目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 课题研究的背景及意义 (1)1.2.1 课题研究的背景 (1)1.2.2 课题研究的意义 (2)1.3 光纤光栅传感器的发展现状 (4)1.3.1 国外研究现状 (4)1.3.2 国内研究现状 (4)1.4 课题研究内容及结构安排 (5)2 光纤Bragg光栅传感器的原理 (6)2.1 均匀轴向应力下的光纤光栅传感特性分析 (6)2.2 均匀横向应力下的光纤光栅传感特性分析 (8)2.3 光纤Bragg 光栅温度传感特性 (9)2.4 光纤Bragg光栅应变、温度测量的交叉敏感 (10)2.5 本章小结 (10)3 光纤布拉格光栅应变测量系统的设计 (11)3.1 光纤光栅应变测量系统的结构 (11)3.2 温度补偿的实现 (12)3.3 光纤光栅应变测量系统解调模块的设计 (13)3.3.1 光纤M—Z干涉仪系统设计 (13)3.3.2 后续信号处理模块的设计 (17)3.4 本章小结 (20)4 系统的硬件仿真与实验 (21)4.1 光纤布拉格光栅应变特性实验 (21)4.2 信号解调模块的设计与仿真 (24)4.3 相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器的设计与仿真 (25)4.4 A/D转换电路的设计与仿真 (26)4.5 本章小结 (27)5 结论与展望 (28)5.1 结论 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (30)致谢 (33)1 绪论1.1 引言近年来,光纤光栅在光纤通信以及光纤传感领域得到了很大的发展。