基于光纤震动技术的桥梁健康监测系统

陈小波,周宜傧,赵希逸

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

桥梁是城市基础设施的重要组成部分,对于城市的发展和交通的畅通起着重要的作用。然而,桥梁在长期使用过程中会出现老化和损坏,这对公众安全构成了潜在威胁。因此,桥梁健康监测系统越来越受到关注。

传统的桥梁健康监测系统通常使用传感器来测量桥梁的结构参数。但是,传感器安装和维护成本高昂,并且可能会影响桥梁的结构安全。因此,开发一种无须直接安装在桥梁上的桥梁健康监测系统变得非常重要[1]。

光纤传感技术是一种新兴的无源传感技术,在结构健康监测领域得到了广泛应用。光纤震动传感技术可以通过监测光纤传输中光信号的变化来实时监测结构的振动情况[2]。这种技术具有安装方便、实时监测和高灵敏度等优点,已经被用于桥梁、隧道和风力发电机等结构的健康监测。

为此,本文提出了一种基于光纤震动技术的桥梁健康监测系统。该系统可以实时监测桥梁的结构健康状况,并在出现异常时发出警报[3]。本文介绍了该系统的基本原理和技术特点,并通过试验验证了该系统的可行性和准确性。

1 常见的桥梁健康监测技术及对比

(1)传统的结构健康监测技术主要采用传感器、应变计、加速度计等传感器对桥梁结构进行监测。与光纤技术相比,传感器需要单独铺设布线,且其数据采集频率和信号处理精度有限,而光纤技术可以利用现有光缆网络进行数据采集和传输,且其精度和频率更高。

(2)无损检测技术主要通过超声波、磁粉、涡流、X射线等技术对桥梁内部的缺陷进行检测。与光纤技术相比,无损检测技术需要对桥梁进行破坏性检测,而光纤技术则可以在不破坏桥梁的情况下实现对桥梁结构的监测。

(3)非接触式检测技术主要通过光学、红外、激光等技术实现对桥梁表面的检测。与光纤技术相比,非接触式检测技术需要对桥梁进行照射或拍摄,且其数据采集和处理难度较大,而光纤技术则可以实现对桥梁结构的实时监测和预警。

综上所述,基于光纤震动技术的桥梁健康监测系统具有数据采集和传输便捷、监测精度和频率高等优势,在桥梁健康监测领域具有广阔的应用前景。

2 基本原理

光纤震动技术是一种基于拉曼效应或布里渊效应的传感技术,可以通过监测光纤传输中光信号的变化来实时监测结构的振动情况。该技术的基本原理是利用光纤作为传感器,在光纤中注入激光,通过测量激光在光纤中的散射来测量光纤的振动情况。光纤震动传感技术的原理如图1所示。

图1 光纤震动传感技术原理示意图

光纤中的激光在传输过程中会发生散射,这种散射可以分为拉曼散射和布里渊散射两种类型。拉曼散射是指激光与分子或晶格的相互作用而产生的散射;布里渊散射是指激光与光纤中的声波相互作用产生的散射。当光纤发生震动时,会产生声波,这种声波可以通过光纤中的布里渊散射来检测。

通过监测光纤传输中光信号的变化来实时监测结构的振动情况。当光纤受到震动时,光信号会发生变化,这种变化可以通过光学接收器进行监测。利用这种方法,可以实时监测桥梁的结构健康状况,包括桥梁的振动、应变、温度等参数。

3 技术特点

光纤震动技术具有以下技术特点:

(1)安装方便:光纤传感器无须直接安装在桥梁上,而是通过对光纤进行布置来实现对桥梁的监测。

(2)实时监测:光纤震动技术可以实时监测桥梁结构的健康状况,能够及时发现异常情况。

(3)高灵敏度:光纤震动技术具有高灵敏度,能够检测到微小的结构变化。

(4)低成本:与传统的桥梁健康监测系统相比,光纤震动技术具有更低的成本。

4 系统设计

基于光纤震动技术的桥梁健康监测系统设计包括以下几个方面:

(1)传感器布置:将光纤传感器按照一定的方式布置在桥梁结构上,用于检测桥梁的振动情况。

(2)数据采集:通过光学接收器采集光信号的变化情况,将其转化为数字信号进行处理。

(3)数据处理:将采集到的数据进行处理,包括数据滤波、傅里叶变换等操作,得到桥梁的振动、应变、温度等参数。

(4)数据传输:将处理后的数据传输到监测中心,进行数据分析和处理。

(5)数据可视化:将监测到的数据通过可视化方式呈现,例如图表、曲线等,方便用户进行数据分析和监测。

5 系统实现

在实现基于光纤震动技术的桥梁健康监测系统时,需要考虑以下几个方面:

(1)传感器的布置:光纤传感器的布置应该考虑桥梁的结构特点和应力分布情况,以确保监测的准确性和可靠性。

(2)数据采集设备的选型:选择高精度的光学接收器,以保证采集到的数据准确性。

(3)数据处理算法的开发:设计相应的数据处理算法,包括数据滤波、傅里叶变换等操作,以得到桥梁的振动、应变、温度等参数。

(4)数据传输方式的选择:选择合适的数据传输方式,例如有线传输、无线传输等方式。

(5)数据可视化平台的开发:设计数据可视化平台,将监测到的数据通过可视化方式呈现,方便用户进行数据分析和监测。

6 试验结果与分析

通过对某一桥梁进行基于光纤震动技术的桥梁健康监测试验,得到如下结果:

(1)实时监测:通过光纤震动技术能够实时监测桥梁的振动情况,包括振幅、频率等参数。

(2)高精度监测:光纤震动技术具有高灵敏度,能够检测到微小的结构变化。

(3)数据可视化:将监测到的数据通过可视化方式呈现,方便用户进行数据分析和监测。

通过对试验结果的分析,发现光纤震动技术桥梁健康监测系统能够有效地实现桥梁结构的实时监测和预警,具有以下优点:

(1)高精度监测:光纤震动技术具有高灵敏度和高分辨率,能够检测到微小的结构变化和损伤情况,提高了监测的准确性和可靠性。

(2)实时监测:光纤震动技术能够实时监测桥梁的振动情况,包括振幅、频率等参数,及时发现结构异常和变化情况。

(3)可靠性高:光纤传感器不受电磁干扰和环境影响,具有较高的稳定性和可靠性。

(4)易于维护:系统的传感器布置简单、易于维护,能够降低监测成本和维护成本。

7 未来展望

随着光纤技术的不断发展和应用,光纤震动技术桥梁健康监测系统的未来发展将会更加广阔。在未来的研究中,可以从以下各方面进行深入探究和应用:

(1)多参数监测:目前的光纤震动技术桥梁健康监测系统主要监测桥梁的振动情况,未来可以通过集成多种传感器,实现对桥梁结构多个参数的实时监测,如温度、湿度、应力等。

(2)大数据分析:光纤震动技术桥梁健康监测系统能够实现大量数据的实时采集和处理,未来可以通过大数据分析,挖掘出更多的信息和结构变化模式,提高系统的预测和预警能力。

(3)云端监测:未来的光纤震动技术桥梁健康监测系统可以集成云端监测和管理平台,实现全球范围内的实时监测和数据共享,为桥梁的安全管理和运行提供更全面、更高效的技术支持。

(4)智能化维护:未来的光纤震动技术桥梁健康监测系统可以结合人工智能和机器学习技术,实现智能化的结构分析和预测,为桥梁的维护和管理提供更高效、更精确的支持。

8 结语

本文基于光纤震动技术,设计并实现了桥梁健康监测系统。该系统能够实现桥梁结构的实时监测和预警,具有高精度、实时性、可靠性和易于维护等优点。未来可以从多参数监测、大数据分析、云端监测和智能化维护等方面进行深入探究和应用,为桥梁结构的安全运行提供更加完善的技术支持。