基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统技术方案

本发明专利技术涉及结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，包括至少一组分布式传感阵列，分布式传感阵列包括串联连接的若干个光纤光栅应变传感器；光纤环形器输入端连接宽带光源，光纤环形器第一输出端通过传输光纤与分布式传感阵列连接；光纤耦合器输入端与光纤环形器第二输出端连接，光纤耦合器第一输出端连接光谱分析模块输入端；光纤耦合器第二输出端连接光纤干涉仪输入端；光纤干涉仪输出端连接波分复用模块、光电探测器、数据采集卡和FPGA处理模块。本发明专利技术通过分布式传感阵列对应变静力数据采集同时实现动态应变和振动数据的高信噪比采集，大幅减少布设监测系统数量。大幅减少布设监测系统数量。大幅减少布设监测系统数量。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统


[0001]本专利技术涉及结构健康监测
，具体涉及一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统。

技术介绍

[0002]随着基础设施建设的发展，桥梁数量不断增加，桥梁的长度不断增加，通行车辆数量、载重和速度也较以前有较大变化，为保证桥梁在役时期内的结构安全，避免出现突然性破坏，很多大跨度桥梁安装了桥梁结构健康监测系统。监测数据实时采集，为桥梁健康监测系统核心构成之一。在对桥梁进行监测时，考虑桥梁结构复杂程度，通常选择易收集、监测数据较精准且便于分析研究的静力数据和动力数据作为监测内容，主要包括应变、位移等静力数据和模态频率、振型等动力数据。
[0003]传统的桥梁结构健康监测，静力数据和动力数据的监测采用不同的监测系统，如静力数据监测一般采用应变计、位移传感器等，动力数据的采集一般采用振动传感器。而且，电子类传感器通常只能对局部测点或很短的测量长度进行监测，无法实现分布式测量，不能覆盖监测目标全域。因此，如果要获取全域的静力数据和动力数据，需要大面积布设多种系统，布设大量传感器，成本和施工难度非常高。
[0004]光纤传感器易于实现分布式测量。吴智深等在专利号200610097290.1的专利文件中提出了一种用于结构设施的健康检测和监测的分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法，该应变传感器由多个长标距光纤布拉格光栅应变传感器串联而成，实现健康监测过程中结构整体信息与局部信息的融合，实现对大型结构的局部破坏诊断如混凝土结构的裂缝监测和钢筋腐蚀及结构整体性能评价。陈适之等在专利号201811622281.9的专利文件中提出了一种基于分布式长标距光纤光栅传感器的桥梁动态称重方法，通过统计分布式长标距光纤光栅应变传感器监测数据，获得车辆的速度、轴距、轴重等信息。
[0005]以上传感器采用常规光纤光栅解调仪进行监测，主要监测结构裂缝、较大重量车辆载荷产生的桥梁应变静力数据，以及较大的动态应变数据，对于车辆产生的振动激励，以及模态频率、振型等监测所需的动态应变和振动数据，则存在信噪比低甚至无法监测的问题，仍需要振动传感器进行监测。
[0006]如果能够通过分布式光纤光栅应变传感器进行应变静力数据采集的同时，实现动态应变和振动数据的高信噪比采集，一套传感器系统实现多种传感器系统的监测功能，对于桥梁等大型结构工程的结构健康的大面积经济监测，有效判定桥梁结构健康状态和损伤识别，具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，通过分布式传感阵列进行应变静力数据采集同时，实现动态应变和振动数据的高信噪比采集，一套传感器系统实现多种传感器系统的监测功能，可大幅减少结构健
康监测布设的监测系统数量，适用于桥梁等大型结构工程的大面积经济安装和监测。
[0008]本专利技术是通过如下技术方案实现的：提供一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，包括：至少一组分布式传感阵列；每组分布式传感阵列包括串联连接的若干个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器之间通过连接装置与被测物体耦合；光纤环形器；光纤环形器的输入端连接宽带光源，光纤环形器的第一输出端通过传输光纤与分布式传感阵列连接；光纤耦合器；光纤耦合器的输入端与光纤环形器的第二输出端连接，光纤耦合器的第一输出端连接光谱分析模块的输入端；光纤耦合器的第二输出端连接光纤干涉仪的输入端；光纤干涉仪的输出端依次连接有波分复用模块、光电探测器、数据采集卡和FPGA处理模块。
[0009]进一步的，光纤光栅应变传感器具有不同的波长，且与波分复用模块的各个复用通道波长一一对应。
[0010]进一步的，光谱分析模块的输出端和FPGA处理模块之间连接有数据处理单元。
[0011]进一步的，光纤干涉仪为带有调制的迈克尔逊型非平衡干涉仪，其调制模块的输出分别与光纤干涉仪的调制臂和数据采集卡连接。
[0012]进一步的，分布式传感阵列末端的光纤光栅应变传感器串联一个光纤光栅温度传感器。
[0013]通过增加光纤光栅温度传感器，用于感测温度并进行温度补偿。
[0014]进一步的，多组分布式传感阵列通过多路光纤耦合器融合后与传输光纤连接。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，通过分布式光纤光栅应变传感器进行应变静力数据采集的同时，实现动态应变和振动数据的高信噪比采集，一套传感器系统实现多种传感器系统的监测功能，可大幅减少结构健康监测布设的监测系统数量，适用于桥梁等大型结构工程的大面积经济安装和监测。同时，本专利技术提供的检测系统可以探测高频微弱动态应变信号，因此可以同时检测钢筋混凝土内部开裂、钢丝断丝等结构损伤产生的声发射信号，实现结构损伤的检测和定位。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例1的整体结构示意图。
[0017]图2为本专利技术中光纤干涉仪示意图。
[0018]图3为本专利技术中FPGA处理模块中相位产生载波解调算法示意图。
[0019]图4为本专利技术实施例2的整体结构示意图。
[0020]图中所示：分布式传感阵列100，光纤光栅应变传感器101，连接装置102，传输光纤103，光纤光栅温度传感器104，多路光纤耦合器105，宽带光源200，光纤环形器300，光纤耦合器400，光谱分析模块500，光纤干涉仪600，2
×
2光纤耦合器600
‑
1，光纤法拉第旋转镜600
‑
2，光纤调制臂600
‑
3，波分复用模块601，光电探测器602，数据采集卡603，FPGA处理模块604，调制模块605，数据处理单元700。
具体实施方式
[0021]为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
[0022]实施例1：如图1所示：一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，包括分布式传感阵列100（一组）、宽带光源200、光纤环形器300、光纤耦合器400、光谱分析模块500、光纤干涉仪600；一组分布式传感阵列100；每组分布式传感阵列100包括串联连接的若干个光纤光栅应变传感器101，光纤光栅应变传感器101之间通过连接装置102与被测物体耦合，用于分布式的感测应变和振动。分布式传感阵列100末端的光纤光栅应变传感器101串联一个光纤光栅温度传感器104，用于感测温度并进行温度补偿。
[0023]光纤环形器300；光纤环形器300的输入端连接宽带光源200，光纤环形器300的第一输出端通过传输光纤103与分布式传感阵列100连接。
[0024]光纤耦合器400；光纤耦合器400的输入端与光纤环形器300的第二输出端连接，光纤耦合器400的第一输出端连接光谱分析模块500的输入端，用于检测分布式光纤光栅应变传感器101中的光纤光栅波长信息；光纤耦合器4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，其特征在于：包括：至少一组分布式传感阵列；每组分布式传感阵列包括串联连接的若干个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器之间通过连接装置与被测物体耦合；光纤环形器；光纤环形器的输入端连接宽带光源，光纤环形器的第一输出端通过传输光纤与分布式传感阵列连接；光纤耦合器；光纤耦合器的输入端与光纤环形器的第二输出端连接，光纤耦合器的第一输出端连接光谱分析模块的输入端；光纤耦合器的第二输出端连接光纤干涉仪的输入端；光纤干涉仪的输出端依次连接有波分复用模块、光电探测器、数据采集卡和FPGA处理模块。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤光栅应变传感器的复合式振动检测系统，其特征在于：光纤光栅应变传感器具有不同的波长，且与波分复用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张发祥，段振辉，姜劭栋，刘兆颖，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：