基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究*

任小芳,賈 棟,趙 輝*,王 高,張志偉

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國電信太原分公司,太原 030012)

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基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究*

任小芳1,賈 棟2,趙 輝1*,王 高1,張志偉1

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國電信太原分公司,太原 030012)

古建筑具有極其寶貴的歷史、文化、藝術(shù)和科學(xué)研究價值。通過基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)技術(shù)和LabVIEW相結(jié)合的方法,設(shè)計了古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了干涉儀信號的采集、處理、保存、波形顯示和變化量的跟蹤顯示、頻譜分析、預(yù)警等功能,不僅能夠避免光源強度與干涉條紋對比度變化對測量結(jié)果的影響,而且操作簡單,設(shè)備成本低。設(shè)計了光纖光柵應(yīng)變傳感實驗測試系統(tǒng)性能,結(jié)果表明相位變化與應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系,測量誤差為1.4%。

光纖光柵;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;古建筑;LabVIEW;對稱解調(diào);M-Z干涉儀;應(yīng)變

光纖光柵傳感作為一種新型的傳感技術(shù),由于其靈敏度高,動態(tài)范圍大,抗干擾能力強,重量輕,體積小等諸多優(yōu)點[1],已被廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩等諸多土木工程領(lǐng)域。目前,應(yīng)用于古建筑上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相對較少[2]。2004年,史學(xué)濤[3]等采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測“上海大世界”的結(jié)構(gòu)裂縫。2005年,陸錚為了解上海市“沉香閣”木結(jié)構(gòu)節(jié)點的變形情況,將光纖光柵傳感器安裝到閣內(nèi)梁、柱的臨時支撐上來驗證臨時支撐作用的有效性[4]。光纖光柵傳感技術(shù)還未廣泛應(yīng)用于古建筑的健康監(jiān)測方面,其中一個重要的原因就是傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在精度、穩(wěn)定性和直觀顯示方面達不到理想的效果,并且操作復(fù)雜,設(shè)備成本高。

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠,測量動態(tài)范圍大,探測靈敏度高等優(yōu)點。為了實現(xiàn)古建筑結(jié)構(gòu)健康的實時監(jiān)測,掌握古建筑的健康狀況,預(yù)防突發(fā)情況,本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)方法并結(jié)合LabVIEW做編程開發(fā),對被測信號進行數(shù)據(jù)處理和頻譜分析,實現(xiàn)信號波形的直觀顯示、預(yù)警以及變化量的跟蹤顯示,并設(shè)計光纖光柵應(yīng)變傳感實驗測試系統(tǒng)性能,結(jié)果表明相位與應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系,系統(tǒng)誤差可達到1.4%,取得了較理想的效果。

1 基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)原理介紹

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)原理如圖1所示。光纖光柵接收到ASE寬帶光源發(fā)出的光,返回符合光波反射特性的窄帶光,并進入M-Z干涉儀,將波長信號調(diào)制為相位信號,由于干涉儀是由3 dB的2×2耦合器和3×3耦合器組成,光在其中發(fā)生干涉,將相位信號調(diào)制為三路光強信號,根據(jù)3×3耦合器的光學(xué)傳輸特性可知,這三路輸出兩兩之間有2π/3的相位差,再經(jīng)過光電探測電路,輸出三路電壓信號[5],分別為:

U1=D+Acos[φ(t)]

(1)

(2)

(3)

圖1 基于3×3耦合器的M-Z干涉原理圖

其中,φ(t)為干涉儀兩臂之間的相位差,D為輸出直流分量,A為干涉條紋對比度。根據(jù)干涉儀相位與反射光中心波長的關(guān)系[6],即

(4)

式中d為干涉儀的臂長差,n為光纖纖芯的有效折射系數(shù),λB為光纖Bragg光柵的反射光中心波長,ΔλB(t)為中心波長變化量,與光纖Bragg光柵受到溫度、應(yīng)變有關(guān),可表示為[7]:

(5)

Pe為光纖的有效彈光系數(shù),εx(t)為微應(yīng)變,k為溫度靈敏度系數(shù),Δt(t)為溫度變化。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要是對結(jié)構(gòu)的損傷程度和位置進行監(jiān)測和診斷。外力是引起結(jié)構(gòu)損傷最主要和最直接的因素,在溫度變化很小的情況下,只考慮應(yīng)變的影響,因此公式變?yōu)?/p>

(6)

對于石英光纖,經(jīng)理論計算得[8]

(7)

結(jié)合式(4)和式(7),可推導(dǎo)出

(8)

由式(8)可知相位與應(yīng)變呈線性關(guān)系。只要解調(diào)出φ(t),就能得到相應(yīng)的應(yīng)變值。

2 LabVIEW解調(diào)原理及編程實現(xiàn)

古建筑所處環(huán)境的復(fù)雜性以及產(chǎn)生應(yīng)變因素的多樣性,決定了監(jiān)測系統(tǒng)必須誤差小、精度高。本文采用對稱解調(diào)法處理干涉儀的輸出信號[9]。這種方法能夠去除光強與干涉條紋對比度對解調(diào)結(jié)果的影響,直接解調(diào)出相位變化φ(t),避免了光源不穩(wěn)定帶來的附加誤差,并且穩(wěn)定可靠,很大程度上提高的系統(tǒng)的精確度。解調(diào)原理如圖2所示。

圖2 對稱法解調(diào)原理圖

首先消除直流分量的影響,將3個信號求和,可得

(9)

再分別與3個輸入信號相加,只剩下交流分量。并對交流分量分別求導(dǎo),同時對交流分量和另外兩個信號的導(dǎo)數(shù)差做乘積運算,所得結(jié)果求和,最終得到和干涉條紋對比度有關(guān)的式子UN

(10)

為了去除干涉條紋對比度A的影響,將每一路信號平方并求和,可得UD

(11)

將兩個信號做除法運算,消除因子A

(12)

(13)

因此,通過以上一系列的運算可以直接解調(diào)出相位信號。

數(shù)據(jù)分析與處理是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心,直接影響著測試結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。LabVIEW軟件代替了傳統(tǒng)的儀器設(shè)備,能夠節(jié)約成本,并且開發(fā)簡易,在實時監(jiān)測方面具有很大的優(yōu)勢[10]。在本系統(tǒng)中,光電探測電路之后的電壓信號,經(jīng)過濾波和放大,由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絃abVIEW軟件平臺。系統(tǒng)采用具有大容量SDRAM板載緩存的拓普數(shù)據(jù)采集卡UDAQ-20612作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備,可實現(xiàn)較長時間的監(jiān)測。采集和處理流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

通過設(shè)備的初始化,確保LabVIEW能夠搜索到采集卡,同時獲取采集卡信息,在啟動采集之前,根據(jù)具體情況設(shè)置采集的相關(guān)參數(shù),然后進行采集、處理、保存數(shù)據(jù)等操作。根據(jù)信號解調(diào)原理,在程序面板編寫解調(diào)程序,如圖4所示。

圖4 解調(diào)程序圖

環(huán)境引起的建筑振頻主要在100Hz以下[11]。為了降低系統(tǒng)噪聲對測量結(jié)果的影響,在沒有信號輸入的情況下對系統(tǒng)做頻譜分析,如圖5所示,噪聲主要集中在100Hz附近。因此系統(tǒng)采用低通濾波,截止頻率為100Hz。為了能夠直觀顯示相位變化大小,在軟件編程中設(shè)置了游標(biāo)跟蹤,能夠方便清晰的顯示當(dāng)前幅值的變化量?！豆沤ㄖ拦I(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中對不同建筑物規(guī)定了不同的疲勞極限[12],針對這一點系統(tǒng)采用閾值門限算法,一旦超過設(shè)定值便會發(fā)出警報。整個軟件的界面如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)噪聲頻譜分析全局圖和局部放大圖

圖6 軟件整體界面圖

3 實驗與數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的眾多智能傳感器中,光纖光柵傳感器的效果是最為理想的[13]。本文設(shè)計了光纖光柵應(yīng)變傳感實驗,通過實驗結(jié)果的線性度分析以及精度的測量,測試系統(tǒng)的性能。實驗在室內(nèi)進行,并保持溫度恒定,所用的光源為ASE寬帶光源(1 525nm～1 565nm)。采用的光纖布拉格光柵長約1cm,中心波長為1550.25nm,光纖光柵剛性黏貼在不銹鋼鋸片上表面中間位置,鋸片長15cm。一端固定在試驗臺上,另一端放置不同質(zhì)量的砝碼,根據(jù)懸臂梁力學(xué)原理[14],懸臂梁表面某點的形變與自由端所加的砝碼質(zhì)量線性相關(guān),因此可通過相位變化和質(zhì)量的關(guān)系來判斷其與應(yīng)變的關(guān)系。光纖光柵應(yīng)變測試系統(tǒng)原理圖和實驗實測圖如圖7所示。

圖7

分別放置1g、2g、5g、10g、20g、50g、100g的砝碼,多次重復(fù)測量得到相應(yīng)相位幅值變化量,所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

圖8是通過origin對數(shù)據(jù)擬合得到的質(zhì)量-相位變化關(guān)系圖,相應(yīng)的擬合曲線表達式為

y=0.038 44x+0.105 78

(14)

圖8 質(zhì)量-相位變化關(guān)系圖

圖9 阻尼振動

擬合線性度為0.989 24。從圖8可以看出,相位變化和質(zhì)量表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,靈敏度為0.038 44rad/g,由此可知,相位與應(yīng)變同樣線性相關(guān)。同時為驗證公式的正確性,再次放置70g的砝碼,并使鋸片產(chǎn)生阻尼振動,如圖9所示。讀取相應(yīng)幅度變化量為2.76rad。通過式(14)計算得到相應(yīng)質(zhì)量為69.048 3g,測量誤差為1.4%。

4 結(jié)束語

本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉對稱解調(diào)法,結(jié)合LabVIEW編程開發(fā),設(shè)計古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)信號采集、處理、信號的跟蹤顯示、頻譜分析以及警報等功能。通過光纖光柵應(yīng)變傳感實驗測試系統(tǒng)的性能,實驗表明,系統(tǒng)穩(wěn)定,操作簡單,相位與應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性性,測量誤差為1.4%,達到了較理想的效果。為進一步在古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實踐應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Research of Structure Health Monitoring Technology for Ancient Architecture Based on FBG*

RENXiaofang1,JIADong2,ZHAOHui1*,WANGGao1,ZHANGZhiwei1

(1.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Taiyuan Branch of China Telecom,Taiyuan 030012,China)

Ancient architecture has the great value of history,culture,art and science research.A structural health monitoring system for ancient architecture was designed,which combined M-Z interferometer demodulation technique based on 3×3 coupler and LabVIEW.It realizes the functions of data collection from interferometer,processing,storage,waveform display,variation tracking display,spectral analysis and warning.The system can not only avoid the influence of change of light source intensity and interference fringe contrast on the measurement results,but also has the advantages of simple operation,low equipment cost.The experiment of fiber Bragg grating strain sensor was designed to test system performance.The results show a good linear relationship between phase change and strain,the measurement error is 1.4%.

FBG;structural health monitoring;ancient architecture;LabVIEW;symmetry demodulation;M-Z interferometer;strain

任小芳(1991-),女,山西運城,碩士研究生,主要從事光纖傳感和信號處理方面的研究,zhuoyi0326@163.com;

趙 輝(1979-),男,講師,中北大學(xué),主要從事光電儀器及光電測試技術(shù)研究工作,zhaohui@nuc.edu.cn;

王 高(1973-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。國際IEEE Photonics,IEEE Instru-mentation and Measurement會員。Journal of Measurement Science and Instrumen-tation副主編。天津大學(xué)博士后。從事太赫茲光譜學(xué),非線性光學(xué),特種傳感器研究。

項目來源:山西省青年科技研究基金(2012021013-5);山西省自然科學(xué)基金(2012011010-1)

2014-08-22 修改日期:2014-11-17

C:7230E;7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.007

TN212;TP311

A

1004-1699(2015)01-0034-05