一種新型的橋梁結構健康遠程監控系統

摘要:提出了一種新型的橋梁結構健康遠程監控系統，能滿足惡劣工作環境#65380;抗電磁場干擾#65380;抗腐蝕#65380;抗潮濕等要求，并可通過互聯網對大型橋梁結構健康進行可靠的遠程監控。系統由布設在結構監控點處進行應變和溫度監測的光纖光柵傳感器#65380;對傳感信號進行解調的光纖光柵解調儀#65380;對傳感數據進行采集處理的軟件模塊和將監控數據通過互聯網傳輸到監控中心的傳輸模塊以及在線遠程監控模塊等部分組成。

關鍵詞:橋梁結構;遠程監控;光纖光柵傳感器

中圖分類號:TP212; U446.2; TN912.11文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0637－04

0引言

橋梁#65380;隧道#65380;抗洪工程#65380;海防工程#65380;水利工程和高等級公路等是具有重大社會#65380;經濟#65380;政治乃至軍事意義的大型建筑，一般其設計服役期長達幾十年甚至上百年。但在地質變動#65380;超負荷運行等情況下容易引起結構損傷[1]和結構疲勞，在環境腐蝕與材料老化等不利因素耦合作用下也會產生損傷累積和抗力衰減，影響其設計壽命和服務能力，甚至引起突發事故。雖然橋梁等大型建筑事故發生前常會出現漏洞#65380;塌陷或開裂等情況，但由于缺乏實時有效的監測預警系統，仍難避免事故的發生。為了保障橋梁等大型建筑正常工作#65380;防止因結構災害而造成重大公共安全事故，需要做好其結構特性的實時和動態測量#65380;監視或控制，并建立起相應的數據分析模型和預警體系。由于這類建筑很多地處邊遠或其監測位置不易到達，有的還具有一定的現場危險性，只能對其進行遠距離或無人值守的測量#65380;監視或控制。

遠程監控[2]技術就是指對各種現場#65380;設備進行實時或非實時的測量#65380;監視或控制，并通過通信系統把反映設備運行和現場情況的數據傳送到中心系統進行存儲#65380;診斷#65380;查詢或預警。隨著以寬帶互聯網和無線移動通信為代表的現代通信和網絡技術的廣泛應用，對分散在不同地點的現場和設備進行實時測量#65380;監視或控制成為可能;并且由于寬帶互聯網絡[3]的帶寬較寬，能適應視頻監控和實時監控等實時性要求高#65380;數據量大#65380;監控點多的場合。選用互聯網作為數據傳輸手段，可以突破傳統結構監測僅靠定期目測#65380;外觀檢測的靜態模式或現場監測模式的局限，能夠進行實時的動態遠程結構監測，節約了人力和財力，并提高了準確性。新型光纖光柵傳感器[4]可以用來替代傳統的電測傳感器，采用智能#65380;聯網的多通道光纖光柵調制解調儀采集數據，可以克服傳統傳感器在抗電磁場干擾#65380;抗腐蝕#65380;抗潮濕等能力上難以適應橋梁等大型建筑結構監控中惡劣工作環境的問題。

本文基于互聯網和光纖光柵傳感器技術提出了一種新型的大型建筑結構遠程監控系統的設計方案，系統集計算機通信網#65380;現代傳感器技術#65380;監測技術和軟件技術為一體，并應用在橋梁結構健康遠程監控中。

1系統架構

1.1橋梁結構健康遠程監控系統的研究與發展

國內外橋梁結構健康遠程監控的應用目前還處于起步階段，還沒有非常滿意#65380;系統和完善的橋梁結構健康遠程監控系統運營的實例。橋梁結構所處外界環境的惡劣性和不確定性因素#65380;橋梁結構贅余度大#65380;材料不均勻性等原因也給研究帶來一定困難。

橋梁結構監控[5]的內容主要分為如下幾方面，并依據不同橋梁的實際情況分別進行對應的檢測:

a)荷載監控，包括風#65380;地震#65380;溫度和交通荷載，目的是記錄橋梁經受的各種可變荷載及其時間歷程，解決橋梁結構可靠性評估的荷載檢測問題，也為結構自診斷分析提供荷載數據。

b)幾何檢測。監測橋梁各部位在使用過程中的靜態位置和靜態位移(如樁柱#65380;墩臺的沉降和傾斜#65380;位移，主梁和橋面系的線性變化等)，解決橋梁結構使用過程中的適應性問題。

c)結構的靜動力反應。監測橋梁在交通荷載#65380;風載#65380;地震荷載，以及在溫度#65380;不均勻沉降等作用下的反應，解決結構可靠度評估中的效應監控問題，同時也為橋梁結構的運營提供模式樣本。

目前，橋梁結構監控系統[6]主要存在如下幾個方面的共性問題:首先，對橋梁結構健康監控系統的組成#65380;特點#65380;設計準則#65380;軟硬件的設計方法等進行系統研究的很少;其次，監測所用的傳感器測量精度不足#65380;測量信號噪聲大，并且測量信號對橋梁結構局部損傷不敏感#65380;耐久性不強#65380;穩定性不好;再者，大多需要在橋梁中斷交通的條件下通過人工測試獲取有限的數據，最后再進行數據分析處理與安全評估，而少數已有的自動監測系統多數為單機系統。新型橋梁結構監控系統一般從系統組成和設計方法#65380;智能材料[7]和先進傳感器[8]的應用#65380;基于互聯網的網絡化技術#65380;地理信息系統動態數據管理技術和采集信息的數據融合技術[9]等方面進行探索和研究。

1.2橋梁結構監控中的傳感元件

目前國內外對橋梁的檢測都是在設計#65380;施工安裝完畢交付使用以后，才對橋梁進行定點檢測，而采用的方法多是電檢測方法。這種測量方法一般在橋梁的某個部位上外粘電阻應變片來測量應變，常將應變片組成橋式結構來感應被測體應變[10]的變化并轉換成需要的電量進行檢測。由于是用導線傳輸電信號，使用場合受到環境的限制，如環境濕度太大可能引起短路，在高溫和易燃易爆環境中更容易引起事故。同時，由于所測結果是瞬時的，不能準確#65380;準時地預報橋梁工作狀態，很難滿足現有的結構安全和健康監控需要。

光纖傳感技術[11]就是利用光在傳輸過程中，光纖易受到外界環境溫度#65380;壓力等影響導致傳輸光的強度#65380;相位#65380;頻率#65380;偏振臺等光波量發生變化，從而通過監測這些量的變化可以獲得相應的物理量。從20世紀70年代中期至今，光纖傳感技術已經過了三十多年的飛速發展，由于其體積小#65380;重量輕#65380;不導電#65380;反應快#65380;抗腐蝕，以及不受電磁#65380;射頻及雷電流等干擾影響，集傳感與傳輸于一體的獨特優點成為橋梁檢測中的有效方法。一般是通過將光纖傳感器埋入到橋梁中，測量橋梁內部的應力#65380;應變以及結構損傷。光纖傳感器的監測機理[4]主要包括強度型#65380;干涉型以及光纖光柵傳感器三種。與傳統的基于電學量的傳感器比較，光纖光柵傳感器在性能和應用上有明顯的優勢，特別適合于橋梁結構的監控:

a)光纖光柵傳感器耐久性好，可用于長期監測，而且無源#65380;無火花可適用于煤礦#65380;油井等特殊監測領域;對環境干擾不敏感，也能抗電磁干擾，遠距離測量可超過45 km，并可與光纖通信網絡融合，適合在廣闊的地域組網。

b)光纖光柵尺寸小，測量值空間分辨率高#65380;靈敏度高#65380;精度高#65380;信噪比高，測溫精度±0.5℃#65380;測溫分辨率0.1℃#65380;應變分辨率1 με;傳感器測量動態范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數問題，檢出量是波長信息，不受接頭損失#65380;光沿程損失#65380;光纜彎曲損耗等因素的影響;輸出線性范圍寬，在量程范圍內波長移動與應變有良好的線性關系，頻帶寬可實現全光測量;同時實時性較好，在大規模網絡中所有監測點的單次測量時間最快小于10 ms。

c)光纖光柵傳感器既可以實現點測量，也可以實現準分布式測量。單根光纖可以串接幾十個光纖光柵傳感器，只需占用解調設備的一個通道;信號#65380;數據可多路傳輸，便于與計算機連接。

目前，限制光纖光柵傳感器應用的最主要障礙是傳感信號的解調，理論研究的解調方法很多，但能夠實際應用的解調產品并不多，而且價格較高。由于光源帶寬有限#65380;應用中一般要求光柵的反射譜不能重疊，可復用光柵的數目受到限制;同時，還需要解決在復合材料中同時測量多軸向的應變#65380;在復雜環境中識別各種環境因素引起的波長變化并且進行合理的補償等問題。

1.3新型的橋梁結構健康監控系統

1.3.1光纖光柵傳感器本系統選用高耐久性焊接式GFRP[12](glass fiber reinforced plastic)封裝光纖光柵應變傳感器。由于采用無膠封裝技術，這種傳感器克服了傳統用膠粘劑開發光纖光柵封裝傳感器不可跨越的耐久性問題。其具有工程布設簡單#65380;可拆換#65380;量程大#65380;耐久性好#65380;布設方便#65380;精度高等突出優點;適于鋼結構表面焊接布設，并能抵御較惡劣的服役環境，既可以用于鋼結構表面應變監測[13]，也可用于混凝土表面應變測試;可用做橋梁#65380;建筑#65380;水工等土木工程結構施工#65380;竣工試驗和運營監測的高耐久性表面應變傳感器。

溫度傳感器選用了無外力影響原型封裝光纖光柵溫度傳感器，采用外力傳遞隔離技術有效地克服了外力對光纖光柵溫度傳感特性的影響，使其保留了裸光纖光柵的基本傳感特性。其具有不受外力影響#65380;不受電磁干擾#65380;精度高#65380;重復性好#65380;分布式測量#65380;長期穩定性好#65380;絕對測量等優點，特別適于不宜采用電學量溫度傳感器的溫度場。可用于電站變壓器#65380;高壓輸電纜#65380;埋地管線#65380;土木結構施工監測#65380;竣工試驗和運營監測等的溫度監測。

系統還在每組應變傳感器的附近布設了相應的溫度傳感器，以提供溫度補償使用。

1.3.2光纖光柵解調器

本系統選用了美國MOI公司的sm125光纖光柵解調器。該設備基于光纖法—珀濾波器技術設計，配置有4個通道并可擴展到16個光學通道，具有優秀的熱穩定性及長期穩定性，非常適合橋梁監測。作為全光譜測量設備，MOI－sm125具有很大的動態范圍，其動態范圍受限于接收器的靈敏度，在1 Hz的掃描速率下引起的噪聲基底大約為60 dBm。MOI－sm125使用一個內置的大功率掃描激光光源，包含了絕對波長參考，不需要外部波長校準，提高了測量的精準性。該設備具有標準以太網接口和無線局域網接口，可通過TCP/IP通信采集數據，而內置的蓄電池為解調器供電，使得解調器在無源或者環境惡劣的情況下也能正常工作。

1.3.3系統結構

本系統的結構如圖1所示。首先在橋梁需監測的部位布設好相應的應變傳感器和溫度補償傳感器，并將這些傳感器通過光纖與MOI－sm125光纖光柵解調儀相連，監控采集客戶端電腦通過TCP/IP協議和MOI－sm125進行數據采集。在監控采集客戶端電腦上存放有各種工作參數和各傳感器的配置參數，對于不同的傳感器根據配置參數的不同調用相應的數據處理模塊，并可以在本地顯示數據及波形#65380;譜形，還記錄采集日志及存儲采集到的原始數據。對預處理得到的數據利用雙鏈路寬帶互聯網接入的方式傳輸到遠程的中央服務器，任何接入互聯網的監控客戶端均可通過與服務器通信獲取應變情況和電子地圖，系統也可以提供閾值報警等功能。

2系統功能和關鍵技術

2.1傳感器配置

為了標志所布設的各種傳感器，監控系統按光纖光柵調制解調儀#65380;通道號和基準波長三級進行編號，針對每一個傳感器還需要配置傳感器類型#65380;補償點編號#65380;標定波長#65380;標定數值和計算參數等數據。這些數據均集中存儲在中心服務器上，并通過電子地圖數據庫將這些傳感器監控點與電子地圖的坐標點相關聯。根據這些配置參數監控采集客戶端電腦定時采集光纖光柵調制解調儀的數值數據，然后進行數據平滑#65380;峰值識別#65380;偏移計算#65380;溫度補償和物理量換算。

2.2數據采集

在MOI－sm125光纖光柵解調儀板內置了峰值探測算法。為了優化光譜的中心波長測量，算法假定了一定程度的對稱和對比。對于典型的光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，FBG)#65380;洛倫茲型的FP峰和大多數的激光圖形生成法(laser picture generation，LPG)輪廓，利用該峰值探測算法，能得到理想的對稱和明確的譜形。這種峰值探測算法的理想傳感器光譜應有0.05~2.0 nm的3 dB帶寬，每一個形狀的中心波長要有至少3~5 dB的對稱反差。為了防止用sm125測量一個不能與峰值探測標準匹配的特殊光譜形狀的傳感器，本文沒有采用板載峰值探測算法，而是從光纖光柵解調儀中把全部的光譜數據取出在外部進行處理。MOI－sm125光纖光柵解調儀提供以太網接口，采集客戶端可以通過socket接口采用#GETDATE指令采集各通道的傳感數據:

server=new Socket(ip_address，port);

String commandstr=\"#GET_DATA\"+\"\\";

byte[] abyte=1;

abyte=commandstr.getBytes();

OutputStream outputstream = 1;

outputstream=server.getOutputStream();

outputstream.write(abyte);

outputstream.flush();

InputStream in=server.getInputStream();

ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

while(true){

String str=\"\";

int j;

for(j=0;j<10;j++){

str=str+(char)(in.read());

}

Integer I=Integer.valueOf(str);

int len=I.intValue();

int i，data_all;

for(i=0;i

data_all=in.read();

baos.write(data_all);

}

if(i==len) break;

}

in.close();

server.close();

MOI－sm125返回的數據前10 Byte是后續數據的長度值，通過#GETDATE返回的數據前20 Byte是頭部結構，如表1所示。

緊接著會返回1~4通道的全波長數值。其中第一個通道如下，后面緊跟的三個通道類推，如表2所示。

利用每個通道的最小波長和波長步進值可以計算出每個采樣點的波長值，如圖2所示。

系統根據傳感器配置參數中的各傳感器的標定波長和當前峰值可以計算出其波長偏移供數據處理模塊計算處理。

2.3數據處理

數據采集模塊得到的是各傳感器的波長偏移，根據傳感器配置參數中各傳感器的類型#65380;標定數值和溫度補償點參數可以換算為溫度#65380;應變等物理量。

以溫度傳感器為例，當中心波長變化不大時，每攝氏度導致的波長變化約為10 pm/℃。由于采用的光纖不同#65380;寫入光柵的工藝不同以及退火工藝的差別，不同光纖光柵的傳感靈敏度會有差異，尤其光纖光柵經過封裝后，封裝材料會極大地改變光纖光柵的溫度傳感特性，不同的光纖光柵必須經過標定才能用做實際測量。計算方法如下:T=(λT-λ0)/kT+T0。其中:λ0#65380;T0和kT由標定決定; λT即為光纖光柵解調儀讀出的溫度傳感器的波長峰值。但是應變物理量又與溫度有關，當溫度恒定時，一旦應變靈敏度系數確定就可以方便地通過波長變化獲得應變值;而當溫度變化時，必須對應變傳感進行溫度補償，即將一根布拉格光柵布設于被測對象，另一根布設于與被測材料一樣#65380;溫度場一致且不受力的構件上，即保證兩者發生同樣的溫度效應。計算方法如下:ε=[(λ-λε0)-3×(λT-λ0)]/kε。其中:λε0和kε由標定決定;λ0和λT由上述溫度傳感器決定;λ即為光纖光柵解調儀讀出的應變傳感器的波長峰值。本系統采用的光纖光柵傳感器應變靈敏度系數為0.001 2 nm/με，溫度靈敏度系數為0.01 nm/℃。

2.4傳感數據傳輸

數據采集處理的結果是一組某一時刻的傳感數據量，系統會將其暫時存入一個發送緩存隊列，通過發送調度代理定時將其通過寬帶互聯網接入，并利用TCP/IP協議發送到中央服務器:

server=new Socket(server_ip_address，port);

String commandstr=\"#SEND_DATA\"+\"\\"+S_ID+\"\\"+date_str+\"\\";

byte[] abyte=1;

abyte=commandstr.getBytes();

OutputStream outputstream = 1;

outputstream=server.getOutputStream();

outputstream.write(abyte);

outputstream.flush();

server.close();

為了保證數據安全可靠地到達服務器，系統配置了雙鏈路結構，利用一路以太網接入進行數據傳輸，并利用一路ADSL(asymmetrical digital subscriber loop)作為后備鏈路。

中央服務器接收接口對收到的數據date_str進行結構解析，根據S_ID進行傳感點識別，更新對應傳感器的當前狀態和數值#65380;追加歷史記錄，并根據預設的閾值信息進行閾值報警。

2.5在線結構監控

對于傳輸到中央服務器的數據可以通過接入互聯網的查詢客戶端進行查詢。系統提供電子地圖#65380;數值標注和閾值報警等功能，通過電子地圖可以方便而又準確地看到現場某個點的溫度及其應變情況，給監測帶來更多直觀#65380;醒目且便捷的效果。閾值報警的結果也可以通過短信發送到指定的手機。

3系統實現和應用

本系統的軟件采用Java語言開發實現，監控采集客戶端采用Access數據庫，中央服務器采用MS SQL Server數據庫，運行環境是Windows 2000。目前系統已經在寧波招寶山大橋現場測試通過。其中:傳輸傳感信號的光纖距離為1.8 km，共布設五個傳感器，通過三個通道傳輸，用于裂縫檢測和箱體損傷檢測。系統已經過幾個月的試運行，性能可靠，運行穩定，達到預定的設計目標。

4結束語

本文所提出的新型橋梁結構健康遠程監控系統，具有較強的先進性和實用性。系統在橋梁結構監控應用中采用光纖光柵傳感器進行應變和溫度信號采集，能滿足惡劣工作環境#65380;抗電磁場干擾#65380;抗腐蝕#65380;抗潮濕等要求，也可以推廣到隧道#65380;煤礦#65380;油井#65380;水庫大壩和高速公路等大型建筑的結構監控系統中。但是，結構工程的設計壽命一般為50~100 a。波長調制型光纖傳感器從開始在土木工程中的應用到現在才只有幾年時間，這類光纖傳感器的長期性能和耐久性還未能得到驗證。

系統對光纖光柵傳感器的傳感信號采用光纖光柵解調儀進行解調和處理分析，并將監控數據通過雙鏈路的互聯網接入傳輸到監控中心，安全可靠地實現了基于互聯網的橋梁結構遠程監控。系統還可進一步擴展對CDMA

#65380;GPRS#65380;GSM/SMS等無線通信技術的支持，用于水庫大壩等地處邊遠的應用場合。

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