基于光纤Bragg光栅的古建筑结构健康监测技术研究*

任小芳,贾 栋,赵 辉*,王 高,张志伟

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中国电信太原分公司,太原 030012)



基于光纤Bragg光栅的古建筑结构健康监测技术研究*

任小芳1,贾 栋2,赵 辉1*,王 高1,张志伟1

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中国电信太原分公司,太原 030012)

古建筑具有极其宝贵的历史、文化、艺术和科学研究价值。通过基于3×3耦合器的M-Z干涉解调技术和LabVIEW相结合的方法,设计了古建筑结构健康监测系统,实现了干涉仪信号的采集、处理、保存、波形显示和变化量的跟踪显示、频谱分析、预警等功能,不仅能够避免光源强度与干涉条纹对比度变化对测量结果的影响,而且操作简单,设备成本低。设计了光纤光栅应变传感实验测试系统性能,结果表明相位变化与应变呈良好的线性关系,测量误差为1.4%。

光纤光栅;结构健康监测;古建筑;LabVIEW;对称解调;M-Z干涉仪;应变

光纤光栅传感作为一种新型的传感技术,由于其灵敏度高,动态范围大,抗干扰能力强,重量轻,体积小等诸多优点[1],已被广泛应用于桥梁、大坝等诸多土木工程领域。目前,应用于古建筑上的结构健康监测系统相对较少[2]。2004年,史学涛[3]等采用光纤光栅应变传感器监测“上海大世界”的结构裂缝。2005年,陆铮为了解上海市“沉香阁”木结构节点的变形情况,将光纤光栅传感器安装到阁内梁、柱的临时支撑上来验证临时支撑作用的有效性[4]。光纤光栅传感技术还未广泛应用于古建筑的健康监测方面,其中一个重要的原因就是传统的监测方法在精度、稳定性和直观显示方面达不到理想的效果,并且操作复杂,设备成本高。

基于3×3耦合器的M-Z干涉解调技术具有结构稳定、可靠,测量动态范围大,探测灵敏度高等优点。为了实现古建筑结构健康的实时监测,掌握古建筑的健康状况,预防突发情况,本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉解调方法并结合LabVIEW做编程开发,对被测信号进行数据处理和频谱分析,实现信号波形的直观显示、预警以及变化量的跟踪显示,并设计光纤光栅应变传感实验测试系统性能,结果表明相位与应变呈良好的线性关系,系统误差可达到1.4%,取得了较理想的效果。

1 基于3×3耦合器的M-Z干涉解调原理介绍

基于3×3耦合器的M-Z干涉解调原理如图1所示。光纤光栅接收到ASE宽带光源发出的光,返回符合光波反射特性的窄带光,并进入M-Z干涉仪,将波长信号调制为相位信号,由于干涉仪是由3 dB的2×2耦合器和3×3耦合器组成,光在其中发生干涉,将相位信号调制为三路光强信号,根据3×3耦合器的光学传输特性可知,这三路输出两两之间有2π/3的相位差,再经过光电探测电路,输出三路电压信号[5],分别为:

U1=D+Acos[φ(t)]

(1)

(2)

(3)

图1 基于3×3耦合器的M-Z干涉原理图

其中,φ(t)为干涉仪两臂之间的相位差,D为输出直流分量,A为干涉条纹对比度。根据干涉仪相位与反射光中心波长的关系[6],即

(4)

式中d为干涉仪的臂长差,n为光纤纤芯的有效折射系数,λB为光纤Bragg光栅的反射光中心波长,ΔλB(t)为中心波长变化量,与光纤Bragg光栅受到温度、应变有关,可表示为[7]:

(5)

Pe为光纤的有效弹光系数,εx(t)为微应变,k为温度灵敏度系数,Δt(t)为温度变化。

结构健康监测主要是对结构的损伤程度和位置进行监测和诊断。外力是引起结构损伤最主要和最直接的因素,在温度变化很小的情况下,只考虑应变的影响,因此公式变为

(6)

对于石英光纤,经理论计算得[8]

(7)

结合式(4)和式(7),可推导出

(8)

由式(8)可知相位与应变呈线性关系。只要解调出φ(t),就能得到相应的应变值。

2 LabVIEW解调原理及编程实现

古建筑所处环境的复杂性以及产生应变因素的多样性,决定了监测系统必须误差小、精度高。本文采用对称解调法处理干涉仪的输出信号[9]。这种方法能够去除光强与干涉条纹对比度对解调结果的影响,直接解调出相位变化φ(t),避免了光源不稳定带来的附加误差,并且稳定可靠,很大程度上提高的系统的精确度。解调原理如图2所示。

图2 对称法解调原理图

首先消除直流分量的影响,将3个信号求和,可得

(9)

再分别与3个输入信号相加,只剩下交流分量。并对交流分量分别求导,同时对交流分量和另外两个信号的导数差做乘积运算,所得结果求和,最终得到和干涉条纹对比度有关的式子UN

(10)

为了去除干涉条纹对比度A的影响,将每一路信号平方并求和,可得UD

(11)

将两个信号做除法运算,消除因子A

(12)

(13)

因此,通过以上一系列的运算可以直接解调出相位信号。

数据分析与处理是结构健康监测系统的核心,直接影响着测试结果的正确性和准确性。LabVIEW软件代替了传统的仪器设备,能够节约成本,并且开发简易,在实时监测方面具有很大的优势[10]。在本系统中,光电探测电路之后的电压信号,经过滤波和放大,由数据采集卡传输到LabVIEW软件平台。系统采用具有大容量SDRAM板载缓存的拓普数据采集卡UDAQ-20612作为数据采集设备,可实现较长时间的监测。采集和处理流程图如图3所示。

图3 系统流程图

通过设备的初始化,确保LabVIEW能够搜索到采集卡,同时获取采集卡信息,在启动采集之前,根据具体情况设置采集的相关参数,然后进行采集、处理、保存数据等操作。根据信号解调原理,在程序面板编写解调程序,如图4所示。

图4 解调程序图

环境引起的建筑振频主要在100Hz以下[11]。为了降低系统噪声对测量结果的影响,在没有信号输入的情况下对系统做频谱分析,如图5所示,噪声主要集中在100Hz附近。因此系统采用低通滤波,截止频率为100Hz。为了能够直观显示相位变化大小,在软件编程中设置了游标跟踪,能够方便清晰的显示当前幅值的变化量。《古建筑防工业振动技术规范》中对不同建筑物规定了不同的疲劳极限[12],针对这一点系统采用阈值门限算法,一旦超过设定值便会发出警报。整个软件的界面如图6所示。

图5 系统噪声频谱分析全局图和局部放大图

图6 软件整体界面图

3 实验与数据分析

应用于长期结构健康监测的众多智能传感器中,光纤光栅传感器的效果是最为理想的[13]。本文设计了光纤光栅应变传感实验,通过实验结果的线性度分析以及精度的测量,测试系统的性能。实验在室内进行,并保持温度恒定,所用的光源为ASE宽带光源(1 525nm～1 565nm)。采用的光纤布拉格光栅长约1cm,中心波长为1550.25nm,光纤光栅刚性黏贴在不锈钢锯片上表面中间位置,锯片长15cm。一端固定在试验台上,另一端放置不同质量的砝码,根据悬臂梁力学原理[14],悬臂梁表面某点的形变与自由端所加的砝码质量线性相关,因此可通过相位变化和质量的关系来判断其与应变的关系。光纤光栅应变测试系统原理图和实验实测图如图7所示。

图7

分别放置1g、2g、5g、10g、20g、50g、100g的砝码,多次重复测量得到相应相位幅值变化量,所得数据如表1所示。

表1 实验结果数据

图8是通过origin对数据拟合得到的质量-相位变化关系图,相应的拟合曲线表达式为

y=0.038 44x+0.105 78

(14)

图8 质量-相位变化关系图

图9 阻尼振动

拟合线性度为0.989 24。从图8可以看出,相位变化和质量表现出良好的线性关系,灵敏度为0.038 44rad/g,由此可知,相位与应变同样线性相关。同时为验证公式的正确性,再次放置70g的砝码,并使锯片产生阻尼振动,如图9所示。读取相应幅度变化量为2.76rad。通过式(14)计算得到相应质量为69.048 3g,测量误差为1.4%。

4 结束语

本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉对称解调法,结合LabVIEW编程开发,设计古建筑结构健康监测系统,实现信号采集、处理、信号的跟踪显示、频谱分析以及警报等功能。通过光纤光栅应变传感实验测试系统的性能,实验表明,系统稳定,操作简单,相位与应变呈现良好的线性性,测量误差为1.4%,达到了较理想的效果。为进一步在古建筑结构健康监测的实践应用奠定基础。

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[14]丁腾蛟.基于悬臂梁结构的大量程光纤Bragg光栅位移传感器[D].武汉:武汉理工大学,2012.

Research of Structure Health Monitoring Technology for Ancient Architecture Based on FBG*

RENXiaofang1,JIADong2,ZHAOHui1*,WANGGao1,ZHANGZhiwei1

(1.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Taiyuan Branch of China Telecom,Taiyuan 030012,China)

Ancient architecture has the great value of history,culture,art and science research.A structural health monitoring system for ancient architecture was designed,which combined M-Z interferometer demodulation technique based on 3×3 coupler and LabVIEW.It realizes the functions of data collection from interferometer,processing,storage,waveform display,variation tracking display,spectral analysis and warning.The system can not only avoid the influence of change of light source intensity and interference fringe contrast on the measurement results,but also has the advantages of simple operation,low equipment cost.The experiment of fiber Bragg grating strain sensor was designed to test system performance.The results show a good linear relationship between phase change and strain,the measurement error is 1.4%.

FBG;structural health monitoring;ancient architecture;LabVIEW;symmetry demodulation;M-Z interferometer;strain

任小芳(1991-),女,山西运城,硕士研究生,主要从事光纤传感和信号处理方面的研究,zhuoyi0326@163.com;

赵 辉(1979-),男,讲师,中北大学,主要从事光电仪器及光电测试技术研究工作,zhaohui@nuc.edu.cn;

王 高(1973-),男,副教授,硕士生导师。国际IEEE Photonics,IEEE Instru-mentation and Measurement会员。Journal of Measurement Science and Instrumen-tation副主编。天津大学博士后。从事太赫兹光谱学,非线性光学,特种传感器研究。

项目来源:山西省青年科技研究基金(2012021013-5);山西省自然科学基金(2012011010-1)

2014-08-22 修改日期:2014-11-17

C:7230E;7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.007

TN212;TP311

A

1004-1699(2015)01-0034-05