基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，包括光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器基于悬臂梁结构和双光栅匹配法设计，采用啁啾光栅代替布拉格光栅，扩大了传感器的检测范围，提高了传感器的稳定性和抗干扰能力，同时降低了传感器的制作难度；光纤光栅振动解调仪基于边沿滤波解调原理设计，并采用波分复用技术实现拉索索力的分布式测量，使一路光纤信号中可以复用多个光纤光栅振动传感器，提高了系统的检测能力，使拉索索力的分布式测量成为可能，为大跨度桥梁拉索的在线检测提供更可靠的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统
本专利技术属于光纤传感检测
，具体涉及一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统。
技术介绍
拉索是索类(斜拉索、悬索等)桥梁的重要受力构件，其受力状态是评价桥梁结构安全与否的重要指标之一。因此，研究拉索的索力检测方法，特别是在线检测方法，对评价桥梁的健康状况具有重要意义。目前，斜拉索的索力检测方法有多种，如油压表法、磁通量法、测力环法、频率法等。但针对已建成的桥梁，频率法几乎是唯一选择。所谓频率法就是通过振动传感器测量拉索的固有频率来间接计算其索力的方法。频率法的特点是方便、灵活、成本低、精度佳、可用于在线测量。频率法的关键是检测装置的选择和拉索固有频率的识别方法。常用基于压电式拾振器的监测装置，输出弱电信号，直接传输距离不超过几百米，且怕潮湿，易受干扰，不能在自然环境下长期工作，一般仅用于定期检测。另外，与之配套的索力测试软件，不能实现对拉索振动特征频率的自动检索，不能实现自动测量。近年来，随着光纤传感技术的发展，本人所在的课题组开展了基于光纤光栅传感的桥梁索力在线监测系统的研究，取得了一些成果，如2006年《武汉理工大学学报》第28卷第8期的文章“新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力”。但在总结这些成果的同时也发现如下不足：(1)光纤传感器的稳定性较差。主要原因是采用的传感元件FBG的反射谱较窄，受安装工艺和环境温度变化的影响，双光栅匹配失效的概率大，另外双悬臂梁结构的设计也是造成传感器失效的原因之一。(2)单点测量，系统的复用能力差，难以形成大规模传感网络，不能实现分布式测量。(3)识别方法的可靠性较差。目前采用的识别法主要识别拉索的一阶固有频率，这样识别难度很大，可靠性很差。原因是(如)有些长索的固有频率很低，甚至超出传感器的低频截止范围，识别就会失败。针对上述存在的问题，到目前为止还未见解决办法的有关报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统，为大跨度桥梁拉索的在线检测提供更可靠的技术手段。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，包括依次连接的光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，其特征在于：所述的光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器包括设置在桥梁拉索上的悬臂梁，悬臂梁的末端连接有质量块，悬臂梁的上下表面对称设有一对啁啾光栅，2个啁啾光栅位于一根光纤上；所述的光纤光栅振动解调仪包括宽带光源、耦合器、波分复用器和光电探测器阵列，宽带光源的光经耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给所述的拉索振动信号处理单元；所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。按上述系统，所述的啁啾光栅均采用两点粘贴的方式安装在悬臂梁的上下表面，且施加预应力，波长变化量控制在1±0.1nm范围内。按上述系统，同一个光纤光栅振动传感器中的2个啁啾光栅的3dB带宽均为2nm，初始状态下的中心波长差小于0.5nm，温度灵敏度系数的差值小于2pm/℃。利用基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统实现的在线检测方法，其特征在于：通过桥梁拉索上安装的光纤光栅振动传感器组获取拉索的振动响应，分析拉索的振动频谱，识别出拉索的振动基频，根据索力与基频的关系计算拉索的索力。按上述方法，识别拉索的振动基频的方法为：根据拉索频谱中任意两阶相邻谱峰的频率统计值来求取拉索的振动基频。本专利技术的有益效果为：采用啁啾光栅代替布拉格光栅，扩大了传感器的检测范围，提高了传感器的稳定性和抗干扰能力，同时降低了传感器的制作难度；光纤光栅振动解调仪基于边沿滤波解调原理设计，并采用波分复用技术实现拉索索力的分布式测量，使一路光纤信号中可以复用多个光纤光栅振动传感器，不仅提高了系统的检测能力，也使拉索索力的分布式测量成为可能，为大跨度桥梁拉索的在线检测提供更可靠的技术手段；采用滤波法，缩小了频率识别区间，提高识别的准确性；采用任意相邻两阶谱峰的频率统计值来获取拉索振动的基频，降低了拉索振动基频的识别难度。附图说明图1为本专利技术一实施例的系统结构示意图。图2为光纤光栅传感器的结构示意图。图3为光纤光栅振动传感器工作原理图。图4为光纤光栅振动解调仪的结构示意图。图中：1-光纤，2-第一啁啾光栅，3-第二啁啾光栅，4-质量块，5-悬臂梁。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，如图1所示，包括依次连接的光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，优选的还可以增加与拉索振动信号处理单元连接的报警单元，分析和判断拉索状态是否安全。所述的光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器如图2所示，包括设置在桥梁拉索上的悬臂梁5(单悬臂梁结构)，悬臂梁5的末端连接有质量块4，悬臂梁5的上下表面对称设有一对啁啾光栅，分别为第一啁啾光栅2和第二啁啾光栅3，2个啁啾光栅位于一根光纤1上。所述的光纤光栅振动解调仪如图4所示，包括宽带光源、耦合器、波分复用器和光电探测器阵列，宽带光源的光经耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给所述的拉索振动信号处理单元；所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。所述的啁啾光栅均采用两点粘贴的方式(即只粘贴光栅的两端)安装在悬臂梁的上下表面，且粘贴时施加预应力，波长变化量控制在1±0.1nm范围内。同一个光纤光栅振动传感器中的2个啁啾光栅的3dB带宽均为2nm，初始状态下的中心波长差小于0.5nm，温度灵敏度系数的差值小于2pm/℃。光纤光栅振动传感器的工作原理，如图3所示。在光纤光栅处于初始状态时(没有振动时的状态)，双光栅的反射谱的状态如左上图所示，此时传感器对应的输出信号如左下图所示，为一条水平直线。当传感器做正弦振动后，在质量块的惯性作用下，悬臂梁发生变形，产生周期性应变，因而双光栅的反射谱也发生周期性移动，如右上图所示，此时传感器对应的输出信号如右下图所示，为一正弦波形。传感器的输出信号再现了传感器的振动状态。如图4，在光纤光栅振动解调仪中，增加了1×8型波分复用器，其作用是8个不同波段的光纤光栅振动传感器复用到一路光纤上进入到解调仪的一个通道中，经波分复用器后，8个传感器的反射信号被分离，从8个不同端口射出，再经过光电探测器转换成相应的电信号。上述的光纤光栅振动传感器所占用的波段以及传感器波段之间的间隔均与波分复用器的相关指标对应。利用上述基于光纤传感的桥梁拉索本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，包括依次连接的光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，其特征在于：所述的光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器包括设置在桥梁拉索上的悬臂梁，悬臂梁的末端连接有质量块，悬臂梁的上下表面对称设有一对啁啾光栅，2个啁啾光栅位于一根光纤上；所述的光纤光栅振动解调仪包括宽带光源、耦合器、波分复用器和光电探测器阵列，宽带光源的光经耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给所述的拉索振动信号处理单元；所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，包括依次连接的光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，其特征在于：所述的光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器包括设置在桥梁拉索上的悬臂梁，悬臂梁的末端连接有质量块，悬臂梁的上下表面对称设有一对啁啾光栅，2个啁啾光栅位于一根光纤上；所述的光纤光栅振动解调仪包括宽带光源、耦合器、波分复用器和光电探测器阵列，宽带光源的光经耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给所述的拉索振动信号处理单元；所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：南秋明，李盛，岳丽娜，杨燕，张翠，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42