光纖光柵無源傳感器在結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉軍

（江蘇燕寧工程科技集團有限公司）

1 引言

城市地下管道綜合走廊，簡稱為“綜合管廊”或“共同溝”，是指將設(shè)置在地面、地下或架空的各類公用類管線集中容納于一體，并留有供檢修人員行走通道的隧道結(jié)構(gòu)。即在城市地下建造一個隧道空間，將市政的電力、通訊、燃氣、給排水、污水等各種管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理，徹底改變以往各種管道獨自建設(shè)與管理，同時改善了城市地面環(huán)境和有效利用城市地下空間。

由于綜合管廊通常設(shè)計成線狀，在建設(shè)過程中常采用現(xiàn)場澆筑或預(yù)制拼裝進行施工，但都留有變形縫或施工縫。管廊變形縫處通常為結(jié)構(gòu)體薄弱位置，在環(huán)境荷載作用下可能會出現(xiàn)混凝土開裂、不均勻沉降、位移等諸多問題[1]。這些問題不但會嚴重削弱混凝土管廊的使用性和耐久性，還會對管廊內(nèi)的管線造成破壞。因此需要對混凝土管廊進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，確保其安全。通過在混凝土結(jié)構(gòu)體上布設(shè)光纖光柵位移計、靜力水準儀、應(yīng)變計[2]、溫度計[3]等無源傳感器實時采集結(jié)構(gòu)體的幾何參數(shù)，經(jīng)大數(shù)據(jù)分析和處理，當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時，可及時預(yù)警。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵的本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長度一般只有10mm左右。其作用相當于一個有選擇性的光譜反射鏡，最主要的功能是將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長的光部分或全部反射[4]。光柵反射波長為，其中，λB是被反射的波長，是光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵周期。

當光纖光柵周圍應(yīng)力和溫度變化會引起折射率和柵距的變化，導(dǎo)致 FBG 波長λB的移位[5]，滿足線性關(guān)系式：

式中 ：?λB為 FBG 波長變化量，α為光纖光柵熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖光柵熱光系數(shù)，?T為溫度變化，Pe為光纖光柵光彈系數(shù)，?為光纖光柵軸向應(yīng)變。

圖1 FBG傳感原理圖

其中特別當溫度發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率產(chǎn)生變化，進而使光柵Bragg信號的波長漂移?λB，通過監(jiān)測Bragg波長λB的變化情況，即可獲得測點上光纖光柵周圍溫度的變化狀況。在不受應(yīng)變的情況下，光纖光柵波長漂移?λB與溫度的關(guān)系為：

式中：α為光纖熱膨脹系數(shù)，一般為0.55×10-6/℃；ξ為光纖光柵熱光系數(shù)，常溫下約6.3×10-6/℃；?T為溫度變化幅度。圖2給出了光纖光柵Bragg波長的變化與環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線。

2.2 監(jiān)測點布置及安裝方法

在綜合管廊結(jié)構(gòu)體薄弱位置分別布置光纖光柵位移計、靜力水準儀、應(yīng)變計、溫度計以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。其中，位移計和溫度計安裝在相鄰位置處、水準儀和應(yīng)變計安裝在相鄰位置處；光纖光柵位移計、靜力水準儀、應(yīng)變計、溫度計均安裝在結(jié)構(gòu)體同一側(cè)以方便集成和保護，沉降計和位移計數(shù)量是應(yīng)變計和溫度計的倍加；另外光纖光柵位移計分為縱向和橫向兩種，傳感器布置在同一監(jiān)測斷面并上下錯開安裝，橫向位移計安裝在縱向位移計上方。

3 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖3所示，根據(jù)功能可劃分為三個子系統(tǒng)：

1）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測子系統(tǒng)

通過各種光纖光柵無源傳感器完成結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、實時顯示、遠程傳輸及存儲功能。為其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源，滿足數(shù)據(jù)處理、評估、決策的需要。

2）結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)

實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)警、損傷診斷及極限評估功能，并提供各種結(jié)構(gòu)評估的報告、提供報告查詢、顯示及下載功能。

3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

是結(jié)構(gòu)體巡檢數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理平臺，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的管理，提供數(shù)據(jù)維護、查詢及報表打印等功能，并提供遠程在線形式，提供數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計以及各種評估報告和決策建議等業(yè)務(wù)，系統(tǒng)用戶界面采用Web GIS的顯示形式，綜合使用各種圖表顯示數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

基于光纖光柵無源傳感技術(shù)構(gòu)成的城市綜合管廊分析與預(yù)警評估系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)體健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)密切結(jié)合綜合管廊的管養(yǎng)要求，將傳感器自動監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)識別、處理、分析，對結(jié)構(gòu)體安全異常狀態(tài)做出及時診斷并找出其根源，及早發(fā)現(xiàn)災(zāi)難性破壞的隱患。該系統(tǒng)同時具備數(shù)據(jù)分析、安全評估及狀態(tài)評估等功能，其中，數(shù)據(jù)分析為預(yù)警和評估的基礎(chǔ)。預(yù)警是系統(tǒng)功能的第一層次，其目標是通過對系統(tǒng)實時采集的信息進行自動處理和統(tǒng)計分析，快速掌握結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，當狀態(tài)發(fā)生異?；蚓哂挟惓Ｕ髡讜r及時告警。評估則是系統(tǒng)功能的第二層次，在預(yù)警后或定期綜合利用監(jiān)測系統(tǒng)自動采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合分析工具對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行全面評估[6]。該系統(tǒng)具體功能如下：

①通過長期監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析各種閾值隨時間、外荷載等變化的規(guī)律，對有限元模型進一步修正，通過大量的有限元變參數(shù)分析，確定結(jié)構(gòu)處于不同狀態(tài)時所對應(yīng)的各種閾值和指標值。

②對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析、統(tǒng)計分析、趨勢分析、對比分析、相關(guān)相干分析、模型分析、數(shù)據(jù)挖掘和特征提取等工作。

③綜合各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)進行判斷和分級預(yù)警，并對告警情況進行記錄。結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)預(yù)警后，分析評判結(jié)構(gòu)體工作性能，得到結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估報告，并給出管養(yǎng)建議。

④發(fā)生告警后通過郵件、短信、微信等方式通知管理方。

圖2 光纖光柵波長與溫度的示意圖

圖3 系統(tǒng)功能構(gòu)成