光纖光柵傳感系統在棧橋實時監測中的應用研究

史 向 東

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

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光纖光柵傳感系統在棧橋實時監測中的應用研究

史 向 東

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

以陜煤檸條塔煤礦運煤棧橋為例，對光纖光柵技術進行了闡述，并介紹了各種光纖傳感器的原理,建立了棧橋實時監測系統，確保了棧橋運營的安全性，為棧橋今后的保養與維修提供了依據。

煤礦，棧橋，光纖光柵，實時監測系統

0 引言

隨著煤炭行業的發展，煤礦地面出現了大批高度高，跨度大的運煤皮帶棧橋。鋼結構棧橋由于其自重輕、整體性好、施工速度快的優勢，在我國大跨度輸煤棧橋中得到廣泛應用。輸煤棧橋建成后，礦區的高腐蝕環境對其自身產生很大影響，在日常清洗過程中，煤塵里的腐蝕性礦物加快了鋼構件及混凝土構件的老化。棧橋在運行過程中，皮帶的震動也給棧橋帶來疲勞損傷，隨著時間的推移，棧橋的整體穩定性及剛度會大大降低，這對煤礦的生產安全造成了很大威脅。因此需要對建成的棧橋進行實時的健康監測，準確掌握棧橋健康狀況，及時發現安全隱患，保證煤礦的生產安全。

1 棧橋健康監測系統

棧橋健康監測是指通過在棧橋上安裝監測設備，對棧橋的運行情況進行實時監控。通過儀器設備所反映的數據結果分析棧橋整體狀況。為棧橋在后期的維修、養護與管理提供科學決策依據[1]。健康監測系統的基本組成如圖1所示。

了解棧橋運行情況，應從以下幾個方面進行監控[2]：

1)棧橋在靜態及動態時的力學狀態；2)棧橋在受到沖擊荷載情況下的力學狀態；3)棧橋在長期侵蝕環境中的狀況；4)棧橋所處環境情況。

通過監測設備獲取的信息，利用計算軟件進行分析，統計報表，得出棧橋維修費用，維修決策，災害預防的結果。

2 光纖傳感器技術

2.1 光纖傳感器技術的基本原理

光纖傳感器以光纖為媒介[3]，當光纖在受到外界環境變化時，使得光在其中的傳輸特性發生改變，通過測量光信號來得到改變的物理量的大小，從而計算出所監測物體的狀態。光線傳感器有很多優點，諸如耐久性好、體積小、質量輕、傳輸信息量大等。

光纖傳感器種類很多，目前用于土木工程中的光纖傳感器類型主要有Mach-Zehnder干涉型光纖傳感器、Fabry-Perot腔式光纖傳感器、光纖布拉格光柵(FBG：Fiber Bragg Grating)傳感器等。

光纖F—P應變傳感器是一種“點式”傳感器，適用于測試結構的局部應力，其原理如圖2所示。在光纖中制造一個全密封真空腔，光束入射到腔內時，會在真空腔的兩個端面發生反射，并沿原路返回。當結構體受力發生變化時，空腔長度會發生改變，致使兩反射光的相位差產生改變，從而就能反映結構的應力狀態。

光纖光柵在溫度和應力作用下，其折射率和柵格常數將發生變化，反映到光纖光柵的峰值反射波長(或透射波長)會發生移動，這種光纖光柵的峰值反射波長(或透射波長)隨外界物理量變化而移動的現象可在傳感領域得到應用。

2.2 傳感器原理

1)應變傳感器原理。

當外力作用在光纖傳感器上時，傳感器的長度會隨之變化，導致光柵周期會發生改變，傳感器的有效折射率也隨之變化，致使光在傳感器中的光程發生變化，從而就能測出應變。

2)溫度傳感器原理。

當傳感器所處環境溫度發生變化時，其長度也會發生變化，折射率也會發生變化。

2.3 棧橋監測內容及所用傳感器

1)荷載。

包括溫度，風，煤炭，地震荷載等。傳感器包括：風速儀、強震儀、溫度計、壓力傳感器等。

2)位移監測。

監測棧橋的各部分的靜動態位置，包括局部沉降、傾斜，桁架位置變化等。傳感器包括位移計，傾角儀等。

3)結構的靜動力反應。

監測橋梁的靜態應變應力、動態應變應力、加速度等。傳感器包括應力應變傳感器、加速度傳感器等。

4)非結構部件及輔助設施。

包括支座、振動控制設施等。

2.4 應用實例

檸條塔煤礦選煤廠棧橋從1號轉載點至裝煤倉約2.7 km。棧橋結構主要為型鋼桁架—混凝土框架柱封閉式結構如圖3a)所示。結構主要采用雙角鋼或工字型鋼作為上部桁架主要受力構件。

棧橋下部混凝土框架柱主要由4支混凝土立柱通過柱間的連系梁連接，形成4肢框架形式，如圖3b)所示。

檸條塔輸煤棧橋結構長，跨徑大，且棧橋在裝載倉附近坡度大，棧橋皮帶每天運行時間長，棧橋負荷重。另外，棧橋周圍環境污染，疲勞損傷等諸多因素會導致棧橋結構安全性、耐久性差。因此，對棧橋進行長期安全監測，通過報警功能，對棧橋結構運營中存在的問題提前進行預警，避免棧橋出現突發事故，減少經濟損失，保證棧橋正常運作中的安全性。通過對采集數據的監測分析，可對棧橋結構的承載能力、使用性能進行評價，為同類棧橋今后設計提供參考依據。

檸條塔棧橋全線共有4個轉載點，共布置19個監測段，以下以第1監測段為例進行分析。

第1監測段監測數據如表1，表2所示。

表1 第1監測段皮帶靜止時數據

表2 第1監測段皮帶運轉時數據

由第1監測段皮帶運行時各項數據可以看出，全年皮帶運行時橫、縱、垂向加速度，鋼桁架應力變化，混凝土應力變化及混凝土墩頂加速度整體呈上升趨勢，然而，上升幅度較小，整體狀況較為平穩。

3 結語

由于橋梁安全運營對社會及經濟發展起到至關重要的作用，世界上很多國家都采用很多高新技術來保障橋梁的安全運行。棧橋雖不比大跨度橋梁的復雜，但其安全穩定的運行也至關重要。本文立足光纖光柵監測技術，將光纖傳感技術運用于棧橋健康監測中，提高了棧橋在運營期間的安全保障，而且為棧橋狀態評估和維修提供數據依據。減小棧橋事故的發生概率，確保棧橋安全穩定的運行。

[1] 鄔曉光,徐祖恩.大型橋梁健康監測動態及發展趨勢[J].長安大學學報(自然科學版)，2003,23(1):39-42.

[2] 耿 璐,蘇進星.橋梁變形監測方法應用研究[J].公路與汽運,2015(3):192-195.

[3] 李愛群,廖長青.橋梁結構健康監測[M].北京：人民交通出版社,2009.

Application research of FBG sensing system in trestle timely monitoring

Shi Xiangdong

(ChinaMineScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

Taking Shann coal Ningtiao coal transporting trestle as an example, the paper describes FBG technology, introduces principles of FBG sensors, establishes trestle timely monitoring system, and guarantees the trestle operation safety, which has provided some guidance for trestle maintenance and repairing in future.

coal mine, trestle, FBG(Fiber Bragg Grating), timely monitoring system

2016-11-26

史向東(1989- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0188-02

TD561

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