基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

陳小波,周宜儐,趙希逸

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

橋梁是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,對于城市的發(fā)展和交通的暢通起著重要的作用。然而,橋梁在長期使用過程中會出現(xiàn)老化和損壞,這對公眾安全構(gòu)成了潛在威脅。因此,橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。

傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常使用傳感器來測量橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)。但是,傳感器安裝和維護(hù)成本高昂,并且可能會影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。因此,開發(fā)一種無須直接安裝在橋梁上的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)變得非常重要[1]。

光纖傳感技術(shù)是一種新興的無源傳感技術(shù),在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光纖震動傳感技術(shù)可以通過監(jiān)測光纖傳輸中光信號的變化來實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動情況[2]。這種技術(shù)具有安裝方便、實時監(jiān)測和高靈敏度等優(yōu)點,已經(jīng)被用于橋梁、隧道和風(fēng)力發(fā)電機等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

為此,本文提出了一種基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況,并在出現(xiàn)異常時發(fā)出警報[3]。本文介紹了該系統(tǒng)的基本原理和技術(shù)特點,并通過試驗驗證了該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

1 常見的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)及對比

(1)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要采用傳感器、應(yīng)變計、加速度計等傳感器對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。與光纖技術(shù)相比,傳感器需要單獨鋪設(shè)布線,且其數(shù)據(jù)采集頻率和信號處理精度有限,而光纖技術(shù)可以利用現(xiàn)有光纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸,且其精度和頻率更高。

(2)無損檢測技術(shù)主要通過超聲波、磁粉、渦流、X射線等技術(shù)對橋梁內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測。與光纖技術(shù)相比,無損檢測技術(shù)需要對橋梁進(jìn)行破壞性檢測,而光纖技術(shù)則可以在不破壞橋梁的情況下實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。

(3)非接觸式檢測技術(shù)主要通過光學(xué)、紅外、激光等技術(shù)實現(xiàn)對橋梁表面的檢測。與光纖技術(shù)相比,非接觸式檢測技術(shù)需要對橋梁進(jìn)行照射或拍攝,且其數(shù)據(jù)采集和處理難度較大,而光纖技術(shù)則可以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和預(yù)警。

綜上所述,基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集和傳輸便捷、監(jiān)測精度和頻率高等優(yōu)勢,在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 基本原理

光纖震動技術(shù)是一種基于拉曼效應(yīng)或布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù),可以通過監(jiān)測光纖傳輸中光信號的變化來實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動情況。該技術(shù)的基本原理是利用光纖作為傳感器,在光纖中注入激光,通過測量激光在光纖中的散射來測量光纖的振動情況。光纖震動傳感技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1 光纖震動傳感技術(shù)原理示意圖

光纖中的激光在傳輸過程中會發(fā)生散射,這種散射可以分為拉曼散射和布里淵散射兩種類型。拉曼散射是指激光與分子或晶格的相互作用而產(chǎn)生的散射;布里淵散射是指激光與光纖中的聲波相互作用產(chǎn)生的散射。當(dāng)光纖發(fā)生震動時,會產(chǎn)生聲波,這種聲波可以通過光纖中的布里淵散射來檢測。

通過監(jiān)測光纖傳輸中光信號的變化來實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動情況。當(dāng)光纖受到震動時,光信號會發(fā)生變化,這種變化可以通過光學(xué)接收器進(jìn)行監(jiān)測。利用這種方法,可以實時監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況,包括橋梁的振動、應(yīng)變、溫度等參數(shù)。

3 技術(shù)特點

光纖震動技術(shù)具有以下技術(shù)特點:

(1)安裝方便:光纖傳感器無須直接安裝在橋梁上,而是通過對光纖進(jìn)行布置來實現(xiàn)對橋梁的監(jiān)測。

(2)實時監(jiān)測:光纖震動技術(shù)可以實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況,能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況。

(3)高靈敏度:光纖震動技術(shù)具有高靈敏度,能夠檢測到微小的結(jié)構(gòu)變化。

(4)低成本:與傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相比,光纖震動技術(shù)具有更低的成本。

4 系統(tǒng)設(shè)計

基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計包括以下幾個方面:

(1)傳感器布置:將光纖傳感器按照一定的方式布置在橋梁結(jié)構(gòu)上,用于檢測橋梁的振動情況。

(2)數(shù)據(jù)采集:通過光學(xué)接收器采集光信號的變化情況,將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理。

(3)數(shù)據(jù)處理:將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括數(shù)據(jù)濾波、傅里葉變換等操作,得到橋梁的振動、應(yīng)變、溫度等參數(shù)。

(4)數(shù)據(jù)傳輸:將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

(5)數(shù)據(jù)可視化:將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過可視化方式呈現(xiàn),例如圖表、曲線等,方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

在實現(xiàn)基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)時,需要考慮以下幾個方面:

(1)傳感器的布置:光纖傳感器的布置應(yīng)該考慮橋梁的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)力分布情況,以確保監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選型:選擇高精度的光學(xué)接收器,以保證采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

(3)數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā):設(shè)計相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法,包括數(shù)據(jù)濾波、傅里葉變換等操作,以得到橋梁的振動、應(yīng)變、溫度等參數(shù)。

(4)數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇:選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式,例如有線傳輸、無線傳輸?shù)确绞健?/p>

(5)數(shù)據(jù)可視化平臺的開發(fā):設(shè)計數(shù)據(jù)可視化平臺,將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過可視化方式呈現(xiàn),方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測。

6 試驗結(jié)果與分析

通過對某一橋梁進(jìn)行基于光纖震動技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測試驗,得到如下結(jié)果:

(1)實時監(jiān)測:通過光纖震動技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁的振動情況,包括振幅、頻率等參數(shù)。

(2)高精度監(jiān)測:光纖震動技術(shù)具有高靈敏度,能夠檢測到微小的結(jié)構(gòu)變化。

(3)數(shù)據(jù)可視化:將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過可視化方式呈現(xiàn),方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測。

通過對試驗結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和預(yù)警,具有以下優(yōu)點:

(1)高精度監(jiān)測:光纖震動技術(shù)具有高靈敏度和高分辨率,能夠檢測到微小的結(jié)構(gòu)變化和損傷情況,提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2)實時監(jiān)測:光纖震動技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁的振動情況,包括振幅、頻率等參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常和變化情況。

(3)可靠性高:光纖傳感器不受電磁干擾和環(huán)境影響,具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

(4)易于維護(hù):系統(tǒng)的傳感器布置簡單、易于維護(hù),能夠降低監(jiān)測成本和維護(hù)成本。

7 未來展望

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的未來發(fā)展將會更加廣闊。在未來的研究中,可以從以下各方面進(jìn)行深入探究和應(yīng)用:

(1)多參數(shù)監(jiān)測:目前的光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測橋梁的振動情況,未來可以通過集成多種傳感器,實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)多個參數(shù)的實時監(jiān)測,如溫度、濕度、應(yīng)力等。

(2)大數(shù)據(jù)分析:光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實時采集和處理,未來可以通過大數(shù)據(jù)分析,挖掘出更多的信息和結(jié)構(gòu)變化模式,提高系統(tǒng)的預(yù)測和預(yù)警能力。

(3)云端監(jiān)測:未來的光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以集成云端監(jiān)測和管理平臺,實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享,為橋梁的安全管理和運行提供更全面、更高效的技術(shù)支持。

(4)智能化維護(hù):未來的光纖震動技術(shù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以結(jié)合人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù),實現(xiàn)智能化的結(jié)構(gòu)分析和預(yù)測,為橋梁的維護(hù)和管理提供更高效、更精確的支持。

8 結(jié)語

本文基于光纖震動技術(shù),設(shè)計并實現(xiàn)了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和預(yù)警,具有高精度、實時性、可靠性和易于維護(hù)等優(yōu)點。未來可以從多參數(shù)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析、云端監(jiān)測和智能化維護(hù)等方面進(jìn)行深入探究和應(yīng)用,為橋梁結(jié)構(gòu)的安全運行提供更加完善的技術(shù)支持。