一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，系统包括设置于房屋建筑框架的光纤光栅传感器模块以及用于进行光信号处理的信号解调与数据分析模块，其中光纤光栅传感器模块包括多个光纤光栅静力水准仪、光纤光栅双向倾角传感器以及多个光纤光栅位移传感器，分别用于检测房屋建筑结构的不均匀沉降、倾斜角度以及结构性裂缝的拓展情况；信号解调与数据分析模块包括用于解调光纤光栅传感器模块输出光信号的光纤光栅解调模块、用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理的数据处理模块、进行无线数据传输的4GDTU数据传输模块以及云服务端和电源模块。本发明专利技术可实现对房屋建筑结构数据的实时检测，并针对异常数据进行预警。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统
本专利技术涉及房屋建筑安全监测
，具体涉及一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统。
技术介绍
房屋建筑对于人民安居乐业与社会发展具有重大的基础意义，但其结构安全问题十分严峻，随着已建成建筑物不断老化，其承载能力达不到设计之初的水准，当外界荷载激励达到正常使用极限状态时即有可能对结构造成损失累积，房屋结构面临变形超限等风险。另外我国正处于城市化建设过程中，周边基坑开挖可能导致建筑地基土体受力状态发生变化，进而影响原有房屋结构的使用安全。若不为房屋结构设置安全监测系统，在变形严重超限或偶然地震情况下，可能造成重大的人员伤亡与经济损失。因此有必要对房屋建筑的关键物理参量进行实时监测，并以此判断其安全状态，为运维维护人员提供检修依据。对于最为普遍的钢筋混凝土框架结构而言，其关键部位较小的变形即会对整体受力状态产生较大的影响，因此房屋结构监测对传感器的灵敏度与稳定性提出了较高的要求。目前在结构安全监测
中，针对于房屋建筑多采用水准仪、全站仪以及高速摄像系统等离散性手段对沉降、倾角与裂缝拓展等物理参量进行测量，传统监测手段具有安装困难、长期稳定较差以及无法实现实时监测等缺陷。以电磁类传感器为基础的结构安全监测系统中，其本身易受建筑内部设备的电磁干扰，且由于无法实现分布式串联导致采用多点测量时组网困难，易发生温漂导致其测量精度较低。光纤光栅是一种以波长调制技术为基础的传感器件，通过检测反射光信号的波长偏移量实现对外界物理量的测量，具有抗电磁干扰、多参量测量、灵敏度高且可实现实时监测等优点，可满足建筑、桥梁、隧道与大坝等工程结构的监测需求。直接采用光纤传感技术对房屋建筑进行监测则避免不了光纤光缆布线以实现光信号的传输，若在成片小区的各栋房屋之间采用光纤光缆连接，该方式的整体美观性较差；若对每栋房屋布设一套解调设备、工控机与交换机等，其成本过高难以大范围推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，以实现对建筑结构的不均匀沉、整体倾斜与结构性裂缝拓展的实时监测。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种技术方案：一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架的结构变化并输出光信号，包括：多个光纤光栅静力水准仪，设置于房屋建筑框架底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中一个光纤光栅静力水准仪作为基准点，其余作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体，外部壳体两侧设置有出纤孔和供液体流通的出水孔，外部壳体内部设置有与外部壳体连接的变形膜片、应变结构；外部壳体内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG，第一光纤光栅FBG固定于所述应变结构；光纤光栅双向倾角传感器，设置于房屋建筑框架顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架的倾斜角度；所述光纤光栅双向倾角传感器包括基体和第二光纤，基体上下两端连接有质量块外环，所述第二光纤固定于质量块外环，第二光纤设置有第二至第五光纤光栅FBG；多个光纤光栅位移传感器，设置于房屋建筑框架中已存在的结构性裂缝处，用于监测结构性裂缝宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体设置于所述结构性裂缝两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，包括：光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。按上述方案，所述应变结构为椭圆结构，所述第一光纤光栅FBG固定于椭圆结构的长轴方向；各光纤光栅静力水准仪的出水孔通过通液管连接，通液管连接有储水容器；当房屋建筑框架发生不均匀沉降时，光纤光栅静力水准仪中的液面相对椭圆结构的高度发生变化，使椭圆结构受液体压力作用沿短轴方向产生负应变，第一光纤光栅FBG受压缩产生正应变，第一光纤光栅FBG的中心波长发生变化，通过各观测点相对于基准点的中心波长变化得到房屋建筑框架的不均匀沉降情况。按上述方案，所述外部壳体为316不锈钢材料，椭圆结构为TA2钛合金材料；由于316不锈钢材料的热膨胀系数大于TA2钛合金的热膨胀系数，在升温工况下椭圆结构的长轴方向距离增大，引起第一光纤光栅FBG的中心波长增大，而椭圆结构的短轴方向由于被测的房屋建筑框架发生变形而被压缩，于是通过调整椭圆结构尺寸参数实现光纤光栅静力水准仪中第一光纤光栅FBG的温度自补偿。按上述方案，所述质量块外环外侧设置有若干导纤槽，所述第二光纤固定于导纤槽内，所述第二至第五光纤光栅FBG设置于上下两侧的导纤槽之间；当房屋建筑框架发生倾斜时，质量块外环的重力使基体发生形变，从而使第二至第五光纤光栅FBG发生形变，对应中心波长发生变化，通过对向光纤光栅FBG的中心波长差值得到房屋建筑框架的倾斜角度，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，从而实现光纤光栅双向倾角传感器的温度自补偿。按上述方案，所述基体为TA2钛合金材料，质量块外环为316不锈钢材料。按上述方案，所述亲磁金属块为铁块，所述弹性磁耦合机构包括连接的拉伸杆和弹簧，拉伸杆一端设置有磁耦合探头；所述柔性光纤光栅感应机构包括悬臂梁和设置在悬臂梁两侧的第六光纤光栅FBG和第七光纤光栅FBG，第六光纤光栅FBG设置于靠近拉伸杆一侧，第七光纤光栅FBG设置于远离拉伸杆一端，悬臂梁通过弹簧与所述拉伸杆连接；当结构性裂缝拓展时，铁块和磁耦合探头之间距离增大，磁耦合作用力减弱，弹簧收缩且悬臂梁向远离拉伸杆一侧发生形变，进而导致第七光纤光栅FBG被拉伸，第六光纤光栅FBG被压缩，通过计算第七光纤光栅FBG和第六光纤光栅FBG的中心波长差值得到结构性裂缝拓展量，同时温度变化引起的中心波长漂移作为共模信号被消除，进而实现光纤光栅位移传感器的温度自补偿。按上述方案，所述预设阈值通过Midas/Gen建模计算得到，具体方法如下：首先建立房屋建筑框架的有限元模型，房屋建筑框架包括梁柱、剪力墙以及结构柱，其中梁柱建模采用梁单元模拟，剪力墙采用板单元模拟，并在模型上设置边界条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；/n其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架的结构变化并输出光信号，包括：/n多个光纤光栅静力水准仪，设置于房屋建筑框架底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中一个光纤光栅静力水准仪作为基准点，其余作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体，外部壳体两侧设置有出纤孔和供液体流通的出水孔，外部壳体内部设置有与外部壳体连接的变形膜片、应变结构；外部壳体内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG，第一光纤光栅FBG固定于所述应变结构；/n光纤光栅双向倾角传感器，设置于房屋建筑框架顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架的倾斜角度；所述光纤光栅双向倾角传感器包括基体和第二光纤，基体上下两端连接有质量块外环，所述第二光纤固定于质量块外环，第二光纤设置有第二至第五光纤光栅FBG；/n多个光纤光栅位移传感器，设置于房屋建筑框架中已存在的结构性裂缝处，用于监测结构性裂缝宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体设置于所述结构性裂缝两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；/n光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；/n信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，包括：/n光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；/n数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；/n4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；/n云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；/n电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：该系统包括光纤光栅传感器模块和信号解调与数据分析模块；
其中光纤光栅传感器模块设置于房屋建筑框架上，用于监测房屋建筑框架的结构变化并输出光信号，包括：
多个光纤光栅静力水准仪，设置于房屋建筑框架底层的结构柱上，用于监测光纤光栅静力水准仪安装点的沉降量；其中一个光纤光栅静力水准仪作为基准点，其余作为观测点；所述光纤光栅静力水准仪包括外部壳体，外部壳体两侧设置有出纤孔和供液体流通的出水孔，外部壳体内部设置有与外部壳体连接的变形膜片、应变结构；外部壳体内部还设置有第一光纤，第一光纤设置有第一光纤光栅FBG，第一光纤光栅FBG固定于所述应变结构；
光纤光栅双向倾角传感器，设置于房屋建筑框架顶层的外侧结构柱上，用于监测房屋建筑框架的倾斜角度；所述光纤光栅双向倾角传感器包括基体和第二光纤，基体上下两端连接有质量块外环，所述第二光纤固定于质量块外环，第二光纤设置有第二至第五光纤光栅FBG；
多个光纤光栅位移传感器，设置于房屋建筑框架中已存在的结构性裂缝处，用于监测结构性裂缝宽度的拓展情况；所述光纤光栅位移传感器包括亲磁金属块、封装壳体、弹性磁耦合机构和柔性光纤光栅感应机构；所述亲磁金属块和封装壳体设置于所述结构性裂缝两侧，柔性光纤光栅感应机构固定于封装壳体内部，与所述弹性磁耦合机构连接，弹性磁耦合机构穿过封装壳体与亲磁金属块之间形成闭合磁回路；
光纤光栅传感器模块中的所有传感器均由光纤光缆串联，光纤光缆终端接入信号解调与数据分析模块；
信号解调与数据分析模块，用于接收光信号并进行信号处理，包括：
光纤光栅解调模块，根据光纤光栅传感器模块输出的光信号中的波峰信号位置顺序判断所属的信号类别，按照波分复用的方式对光信号进行解调，并将各类解调信号发送至数据处理模块；
数据处理模块，用于对解调信号进行温度自补偿和平滑处理，并将解调信号转化为房屋建筑框架的结构变化物理量；
4GDTU数据传输模块，将物理量数据通过无线传输到云服务端；
云服务端，用于接收物理量数据并根据预设阈值进行阈值报警分析和页面显示；
电源模块，用于向信号解调与数据分析模块中的其他模块提供工作电压。


2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述应变结构为椭圆结构，所述第一光纤光栅FBG固定于椭圆结构的长轴方向；各光纤光栅静力水准仪的出水孔通过通液管连接，通液管连接有储水容器；
当房屋建筑框架发生不均匀沉降时，光纤光栅静力水准仪中的液面相对椭圆结构的高度发生变化，使椭圆结构受液体压力作用沿短轴方向产生负应变，第一光纤光栅FBG受压缩产生正应变，第一光纤光栅FBG的中心波长发生变化，通过各观测点相对于基准点的中心波长变化得到房屋建筑框架的不均匀沉降情况。


3.根据权利要求2所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述外部壳体为316不锈钢材料，椭圆结构为TA2钛合金材料；由于316不锈钢材料的热膨胀系数大于TA2钛合金的热膨胀系数，在升温工况下椭圆结构的长轴方向距离增大，引起第一光纤光栅FBG的中心波长增大，而椭圆结构的短轴方向由于被测的房屋建筑框架发生变形而被压缩，于是通过调整椭圆结构尺寸参数实现光纤光栅静力水准仪中第一光纤光栅FBG的温度自补偿。


4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的房屋建筑安全监测系统，其特征在于：所述质量块外环外侧设置有若干导纤槽，所述第二光纤固定于导纤槽内，所述第二至第五光纤光栅FBG设置于上下两侧的导纤槽之间；
当房屋建筑框架发生倾斜时，质量块外环的重...

【专利技术属性】
技术研发人员：童晓玲，杨建宇，叶舒恒，宋志远，李晨，唐浩冕，段宇星，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42