基于光纖震動技術的橋梁健康監測系統

陳小波,周宜儐,趙希逸

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

橋梁是城市基礎設施的重要組成部分,對于城市的發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老化和損壞,這對公眾安全構成了潛在威脅。因此,橋梁健康監測系統越來越受到關注。

傳統的橋梁健康監測系統通常使用傳感器來測量橋梁的結構參數。但是,傳感器安裝和維護成本高昂,并且可能會影響橋梁的結構安全。因此,開發一種無須直接安裝在橋梁上的橋梁健康監測系統變得非常重要[1]。

光纖傳感技術是一種新興的無源傳感技術,在結構健康監測領域得到了廣泛應用。光纖震動傳感技術可以通過監測光纖傳輸中光信號的變化來實時監測結構的振動情況[2]。這種技術具有安裝方便、實時監測和高靈敏度等優點,已經被用于橋梁、隧道和風力發電機等結構的健康監測。

為此,本文提出了一種基于光纖震動技術的橋梁健康監測系統。該系統可以實時監測橋梁的結構健康狀況,并在出現異常時發出警報[3]。本文介紹了該系統的基本原理和技術特點,并通過試驗驗證了該系統的可行性和準確性。

1 常見的橋梁健康監測技術及對比

(1)傳統的結構健康監測技術主要采用傳感器、應變計、加速度計等傳感器對橋梁結構進行監測。與光纖技術相比,傳感器需要單獨鋪設布線,且其數據采集頻率和信號處理精度有限,而光纖技術可以利用現有光纜網絡進行數據采集和傳輸,且其精度和頻率更高。

(2)無損檢測技術主要通過超聲波、磁粉、渦流、X射線等技術對橋梁內部的缺陷進行檢測。與光纖技術相比,無損檢測技術需要對橋梁進行破壞性檢測,而光纖技術則可以在不破壞橋梁的情況下實現對橋梁結構的監測。

(3)非接觸式檢測技術主要通過光學、紅外、激光等技術實現對橋梁表面的檢測。與光纖技術相比,非接觸式檢測技術需要對橋梁進行照射或拍攝,且其數據采集和處理難度較大,而光纖技術則可以實現對橋梁結構的實時監測和預警。

綜上所述,基于光纖震動技術的橋梁健康監測系統具有數據采集和傳輸便捷、監測精度和頻率高等優勢,在橋梁健康監測領域具有廣闊的應用前景。

2 基本原理

光纖震動技術是一種基于拉曼效應或布里淵效應的傳感技術,可以通過監測光纖傳輸中光信號的變化來實時監測結構的振動情況。該技術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。光纖震動傳感技術的原理如圖1所示。

圖1 光纖震動傳感技術原理示意圖

光纖中的激光在傳輸過程中會發生散射,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生的散射。當光纖發生震動時,會產生聲波,這種聲波可以通過光纖中的布里淵散射來檢測。

通過監測光纖傳輸中光信號的變化來實時監測結構的振動情況。當光纖受到震動時,光信號會發生變化,這種變化可以通過光學接收器進行監測。利用這種方法,可以實時監測橋梁的結構健康狀況,包括橋梁的振動、應變、溫度等參數。

3 技術特點

光纖震動技術具有以下技術特點:

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

(2)實時監測:光纖震動技術可以實時監測橋梁結構的健康狀況,能夠及時發現異常情況。

(3)高靈敏度:光纖震動技術具有高靈敏度,能夠檢測到微小的結構變化。

(4)低成本:與傳統的橋梁健康監測系統相比,光纖震動技術具有更低的成本。

4 系統設計

基于光纖震動技術的橋梁健康監測系統設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構上,用于檢測橋梁的振動情況。

(2)數據采集:通過光學接收器采集光信號的變化情況,將其轉化為數字信號進行處理。

(3)數據處理:將采集到的數據進行處理,包括數據濾波、傅里葉變換等操作,得到橋梁的振動、應變、溫度等參數。

(4)數據傳輸:將處理后的數據傳輸到監測中心,進行數據分析和處理。

(5)數據可視化:將監測到的數據通過可視化方式呈現,例如圖表、曲線等,方便用戶進行數據分析和監測。

5 系統實現

在實現基于光纖震動技術的橋梁健康監測系統時,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該考慮橋梁的結構特點和應力分布情況,以確保監測的準確性和可靠性。

(2)數據采集設備的選型:選擇高精度的光學接收器,以保證采集到的數據準確性。

(3)數據處理算法的開發:設計相應的數據處理算法,包括數據濾波、傅里葉變換等操作,以得到橋梁的振動、應變、溫度等參數。

(4)數據傳輸方式的選擇:選擇合適的數據傳輸方式,例如有線傳輸、無線傳輸等方式。

(5)數據可視化平臺的開發:設計數據可視化平臺,將監測到的數據通過可視化方式呈現,方便用戶進行數據分析和監測。

6 試驗結果與分析

通過對某一橋梁進行基于光纖震動技術的橋梁健康監測試驗,得到如下結果:

(1)實時監測:通過光纖震動技術能夠實時監測橋梁的振動情況,包括振幅、頻率等參數。

(2)高精度監測:光纖震動技術具有高靈敏度,能夠檢測到微小的結構變化。

(3)數據可視化:將監測到的數據通過可視化方式呈現,方便用戶進行數據分析和監測。

通過對試驗結果的分析,發現光纖震動技術橋梁健康監測系統能夠有效地實現橋梁結構的實時監測和預警,具有以下優點:

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

(2)實時監測:光纖震動技術能夠實時監測橋梁的振動情況,包括振幅、頻率等參數,及時發現結構異常和變化情況。

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

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

7 未來展望

隨著光纖技術的不斷發展和應用,光纖震動技術橋梁健康監測系統的未來發展將會更加廣闊。在未來的研究中,可以從以下各方面進行深入探究和應用:

(1)多參數監測:目前的光纖震動技術橋梁健康監測系統主要監測橋梁的振動情況,未來可以通過集成多種傳感器,實現對橋梁結構多個參數的實時監測,如溫度、濕度、應力等。

(2)大數據分析:光纖震動技術橋梁健康監測系統能夠實現大量數據的實時采集和處理,未來可以通過大數據分析,挖掘出更多的信息和結構變化模式,提高系統的預測和預警能力。

(3)云端監測:未來的光纖震動技術橋梁健康監測系統可以集成云端監測和管理平臺,實現全球范圍內的實時監測和數據共享,為橋梁的安全管理和運行提供更全面、更高效的技術支持。

(4)智能化維護:未來的光纖震動技術橋梁健康監測系統可以結合人工智能和機器學習技術,實現智能化的結構分析和預測,為橋梁的維護和管理提供更高效、更精確的支持。

8 結語

本文基于光纖震動技術,設計并實現了橋梁健康監測系統。該系統能夠實現橋梁結構的實時監測和預警,具有高精度、實時性、可靠性和易于維護等優點。未來可以從多參數監測、大數據分析、云端監測和智能化維護等方面進行深入探究和應用,為橋梁結構的安全運行提供更加完善的技術支持。