第28卷 第8期2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.28 No.8 Aug.2006
新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力
刘胜春,姜德生,李 盛(武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070)
摘 要: 介绍了一种新型的基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统,并与传统的基于压电式加速度传感器的索力测试系统进行了对比试验研究。结果表明,二者的测试精度相差不大,由于压电式加速度传感器的固有缺陷无法实现索力的远程监测,只适用于索力的定期监测;而基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统能够对索力进行实时监测。关键词: 斜拉桥; 索力测试; 传感器; 光纤光栅中图分类号: TH74文献标志码: A文章编号:167124431(2006)0820110203
ApplicationofOpticFiberGratingVibrationSensortoCableTensionMeasuringofCable2stayedBridges
LIUSheng2chun,JIANGDe2sheng,LISheng(FiberOpticalSensingTechnologyResearchCenter,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract: Anewcabletensionmeasuringsystembasedonopticfibergratingvibrationsensorisintroduced.Fortestingitsperformance,wemadeaexperimentinwhichtwocabletensionsmeasuringsystem,theforenamedoneandtheotheronebasedonpiezoelectricityaccelerometer,werebothusedtomeasurethetensionofastayedcableasthesametime.Theresultshowedthattheprecisionofthetwomethodshadlittlediscrepancy.Onaccountoftheinherentlimitationoftheinherentlimitationofthepiezoelectricityaccelerometer,thesystembasedonpiezoelectricityaccelerometerusuallyappliestotheinspectofthecabletension,butthesystembasedonopticfibergratingvibrationsensorcanapplytotherealtimemonitoringofthecabletensionaswell.Keywords: cable2stayedbridges; cabletensionmeasuring; fiberBragggrating; vibrationsensor
收稿日期:2006203211.基金项目:国家自然科学基金(50179029).作者简介:刘胜春(19732),博士生,讲师.E2mail:liusc@mail.whut.edu.cn斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分,斜拉桥桥跨结构的重量和桥上的活载绝大部分或全部都通过斜拉索传递到塔柱上,索力是衡量斜拉桥健康状态的重要参数之一。因此,若能在线实时监测斜拉所的索力,不仅能为斜拉桥系统的维护、保养提供可靠的依据,而且可以及时处理可能出现的故障,避免事故的发生,同时还可以积累有用的参考依据。在工程实践中,频率法是应用最为广泛的索力测试方法。然而,由于电信号无法远距离准确传输的固有缺点,当前应用的基于压电式加速度传感器的频率法还无法满足索力监测的要求,只能用来进行索力检测。针对这一弱点,作者采用了中心研制的光纤光栅振动传感器来代替压电式加速度传感器并重新设计了索力测试系统。文章将介绍这一新型的索力测试系统,并与传统的频率法索力测试系统作对比试验研究。1 索力与频率的关系在频率法中,以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记下时程数据,并由此识别出索的振动频率。由拉索与其固有频率的关系便可推算出索力,索与拉力的关系最简单的即为/张紧的弦0的公式T=4ml2@(fn/n)2(1)式中,m为索的线密度;l为斜拉索长度;fn是第n阶的自振频率;n是弦振动的阶数。用式(1)虽可粗略地计算索力,但很多时候都显得过于简化,不符合实际情况。实际的拉索由于自重有一定的垂度,具有一定的抗弯刚度,必须引入边界条件。有学者指出,忽略垂度和刚度的影响,用简单的弦理论计算索力,将带来不可接受的误差[1,2]。为准确地适用振动法测定索力,必须考虑这2个因素,对弦公式进行修正。下面引入一种改进了的解析法,该方法可以综合考虑索的抗弯刚度、支撑条件、垂度的影响[3,4]。建立图1所示力学模型并做如下假定:1)垂跨比D=S/l0很小(Sn1);2)拉索只在x、y平面内振动,其在x方向的运动很小,可忽略不计,即u=0,而在y方向的挠度vn1;3)当垂跨比D[1/6时,用抛物线代替悬链线具有足够的精度,于是拉索的形状可用抛物线来表示。拉索在y方向的运动方程可写成EI54v(x,t)5x4-H52v(x,t)5x2-h(t)52y5t2+m52v(x,t)5t2=0(2)式中,H为拉索OP方向的张力;H为拉索倾角;m为索的线密度;EI为索的弯曲刚度;h(t)为振动引起的拉索张力的增量。根据假定2)、假定3),拉索的几何形状可表示为y=4dl2x(l-x)(3)式中,d表示拉索在x2y坐标系中的垂度。当索两端固支时,边界条件为 当x=0和x=l时,v*(x)=0(4)dv*(x)dx=0(5) 联立式(2)、式(3)并引入边界条件式(4)、式(5),然后通过分离变量法可得到拉索振动的特征方程 发出的光经由3dB耦合器传播到FBG1,经FBG1反射后再经过3dB耦合器反射到FBG2,经过滤波后透射光由光功率计PD接收。通过螺杆F调解FBG2的中心波长,使得FBG1的静态中心波长(或静态工作点)处111第28卷 第8期 刘胜春,等:新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力 在FBG2透射谱的线性区域。如图3所示,当FBG1的反射光通过FBG2时,从而完成/波长信号0到/强度信号0的转换,即/波长解调0。由于2个光纤光栅工作在相同的温度环境中,并同时粘贴在具有相同热膨胀系数材料上,当温度变化时,2个光纤光栅的谐振波长将同步漂移,所以二者的谐振波长差不会改变,因此,温度变化不会影响传感器的工作状况。为了克服悬臂梁自身的谐振,在传感器内部加入了阻尼液,这样,在保证传感器具有较高的响应敏感度的同时,又能得到很好的频谱。3 试 验为了检验光纤光栅振动传感器的测试效果,基于/东方振动和噪声技术研究所0提供的DASP2003振动测试分析系统,设计了如图4所示的索力试验测试系统。该系统分为2个部分,第1个部分为由信号发生器(SG)、功率放大器(PA)、激振器(VD)组成的振动激励系统;第2部分为由压电加速度传感器(AS)、电荷放大器(CA)、宽带光源(LED)、光纤光栅振动传感器(VS)、光功率计(PD)、数据采集器(MD)、计算机(PC)以及/动态信号处理软件0组成的振动测试系统。将光纤光栅振动传感器和压电式加速度传感器同时固定在拉索(C)上。激振器由信号发生器和功率放大器驱动,可产生正弦(或余弦)和矩形方波振动,当拉索受到激振器的激励将产生受迫振动,其振动状态由固定在上面的光纤光栅振动传感器和压电式加速度传感器同时感测。光纤光栅振动传感器按照图2所示的连接方式与宽带光源和光功率计连接;压电式加速度传感器通过同轴导线直接与电荷放大器连接。光功率计PD输出的电压信号与电荷放大器输出的电压信号同时从不同通道接入数据采集器MD,MD采集的数据经由/并口0接入计算机,利用/动态信号处理软件0对数据进行频谱分析并显示输出。 图5(a)~(d)给出了激振器以频率为1.6Hz、3.3Hz、10Hz、50Hz作简谐振动时,光纤光栅振动传感器和压电加速度传感器测量的振动输出波形及由此算出的索力。图5中,上、下2个波形曲线分别是光纤光栅振动传感器和压电加速度传感器的测试结果。从图5中可以看出,光纤光栅振动传感器与压电加速度传感器的测量波形基本保持一致,由此推算出的索力相同或相差不大(1.21%),光纤光栅振动传感器的灵表1 索力测量值激振频率f/Hz光纤光栅振动传感器T1/kN压电式加速度传感器T2/kN1.611.0611.173.343.9044.1510397.84397.825010177.1810177.75敏度好于压电加速度传感器。将测试结果汇总到表1。 (下转第121页)112 武 汉 理 工 大 学 学 报 2006年8月即改变发送符号与星座点的映射关系,而不必利用模拟器件产生预失真电路,因此是一种低成本的预失真补偿法。当然,考虑到HPA受温度、老化等因素影响,性能会发生缓慢的变化,还需要修正静态补偿方法,这也是下一步研究的问题。参考文献[1] 达新宇.通信原理教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2005.[2] LucaGiugno,MarcoLuise,VincenzoLottici.AdaptivePre2andPost2compensationofNonlinearDistortionsforHigh2levelDataModulations[J].IEEETransCommun,2004,3(5):149021495.[3] ThomasCM,WeidnerMY,DurraniSH.DigitalAmplitude2phaseKeyingwithM2aryAlphabets[J].IEEETransCommun,1974,22(2):1682180.[4] BiglieriE.High2levelModulationandCodingforNonlinearSatelliteChannels[J].IEEETransCommun,1984,32(5):6162625.[5] AndreaNAD,LotticiV,ReggianniniR.RFPowerAmplifierLinearizationThroughAmplitudeandPhasePredistortion[J].IEEETransCommun,1996,44(1):147721484.[6] 杨宏钢,黄普明,孙献璞.TWTA性能仿真及其非线性补偿的一种新方法[J].空间电子技术,2004,(4):42246.[7] AaelAM,Saleh.Frequency2independentandFrequency2dependentNonlinearModelsofTWTAmplifiers[J].IEEETransCommun,1981,29(11):171521720.[8] HanDS,HwangT.AnAdaptivePre2distorterfortheCompensationofHPANonlinearity[J].IEEETransOnBroadcasting,2000,46(2):1522157.[9] 陈振国.卫星通信系统与技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2003. (上接第112页)经过多次测量后发现,用光纤光栅振动传感器测得的索力与采用压电式加速度传感器测得的数据非常接近。该测试系统可测量不同量程范围的索力,可以达到与传统的基于压电式传感器的频率相当测量精度。该系统既适用于张拉过程中索力的测量,又适用于施工完毕后索力的实时监测,还可通过网络实现远程监控,并根据大量的测试数据对索力的变化趋势进行预测,为索力的调整和拉索的更换提供依据,对索力出现异常的情况实现监控和报警。4 结 语随着社会经济的不断发展,一方面人们在物质文化生活极大丰富的同时越来越关注生命健康与生活的质量,对斜拉桥这类大型结构的安全性、耐久性和舒适性提出了更高的要求;另一方面斜拉桥结构承受的荷载越来越大,导致结构的损伤也越来越严重。这两方面都促使我们不仅要掌握桥梁任意时刻的/健康状态0,而且要能做出及时准确的诊断,评估与趋势预测。传统的基于压电式传感器的频率法,由于电信号无法远距离传输的固有缺点无法实现远程实时监控,文中所介绍的这一新型索力测试系统不仅有着与传统频率法相当的测试精度,而且可以实现远程实时监测,有着广阔的发展应用前景。参考文献[1] StarossekU.CableDynamics2areview[J].StructEngrgInt,1994,(3):1712176.[2] 陈 刚.振动方法测索力实用公式[D].福州:福州大学,2003.[3] 林志宏,徐郁峰.频率法测量索力的关键技术[J].中外公路,2003,(5):65270.[5] 李延直.斜拉桥设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1980.121第28卷 第8期 雷 菁,等:非线性卫星信道中APSK信号星座优化设计研究
