阅读说明：本技术 基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法 (Bridge dynamic deflection monitoring method based on distribution type fiber-optic ) 是由 胡启军 岳杰 何乐平 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光纤传感与桥梁监测领域的一种基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法,由外置式光纤传感器、传输光缆、光纤解调仪、监控主机、窄带宽激光光源组成。本发明为解决现有桥梁动挠度监测方法中测量周期长、时效性差、经济效应低、测量速度慢等问题。提供了一种基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法。主要是在桥梁的主梁底部粘结固定外置式光纤传感器,并将外置式光纤传感器用传输光缆与光纤解调仪相连,再将光纤解调仪与监控主机相连。采用干涉型光时域反射技术实时、自动测量桥梁的动挠度。主要适用于中小跨径的梁桥。(The present invention relates to a kind of bridge dynamic deflection monitoring methods based on distribution type fiber-optic of Fibre Optical Sensor and bridge monitoring field, are made of external fibre optical sensor, transmission cable, optical fibre interrogation instrument, monitoring host computer, narrow bandwidth laser light source.The problems such as present invention is measurement period length, poor in timeliness in solution existing highway bridge dynamic deflection monitoring method, economic benefits are low, measuring speed is slow.Provide a kind of bridge dynamic deflection monitoring method based on distribution type fiber-optic.Mainly in the fixed external fibre optical sensor of the girder bottom adhesive of bridge, and external fibre optical sensor is connected with transmission cable with optical fibre interrogation instrument, then optical fibre interrogation instrument is connected with monitoring host computer.Real-time, automatic measurement bridge the dynamic deflection using interference-type optical time domain reflection technology.It is primarily adapted for use in the beam bridge of Mid and minor spans.)

基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感与桥梁监测领域，特别涉及一种基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法。

背景技术

桥梁是现代地面交通中的重要组成部分，其在使用过程中由于外部因素的作用，会发生横向、纵向、竖向的变形(挠度)。如果这些变形过大不仅会使桥梁的各个部位发生不同程度的损伤，减小桥梁的使用寿命，而且会影响车辆和行人的通行。所以必须对桥梁的变形进行实时监测，这就对该领域内的监测技术提出了更高的要求。

传统的变形监测方法有精密量距、导线测量、水准测量、千分表等人工测量方法。以上这些方法需要大量的人力、物力且存在监测盲点，这对现代公路、铁路桥梁来说程序复杂、工作量大、难于量化、整体性差；对于大型桥梁需要搭设观测平台、实施交通控制等，严重影响正常的交通运行；且测量周期长、时效性差，不能进行实时监测。

光纤传感技术于20世纪70年代初兴起，由于其具有体积小、柔性可弯曲、本征安全、抗电磁干扰、结构简单、测量精度高等优点被广泛应用到土木工程、航天航空、电力系统、医疗等领域。分布式光纤传感技术起源于20世纪70年代末期，其是通过将激光脉冲注入光纤，并对其背向散射信号进行探测，实现对外界环境的实时、精确、分布式监测。但现有的光纤光栅传感技术、布里渊光纤传感技术存在经济效应低、监测速度慢等问题，难以实现桥梁的动挠度监测。

干涉型光时域反射技术是分布式光纤传感技术中的一种，其是通过将一束激光脉冲注入光纤，并对其后向瑞利散射光进行探测，从而解调出相位、强度的变化，实现对外界变化的监测。光时域反射技术除了具有分布式光纤传感的优点外，还具有测量速度快、灵敏度高、测量距离长、耐恶劣环境、免维护的特点。目前光时域反射技术以广泛应用于周界安防监测、微弱振动测量、温度等领域，但在桥梁动挠度监测方面还没有被应用。

发明内容

本发明为了解决现有桥梁动挠度监测方法存在的不足，提供一种基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法，自动、实时、快速、准确、有效的监测运营期间桥梁的动挠度，确保桥梁的正常运行。

本发明采用的技术方案是：基于分布式光纤的桥梁动挠度监测方法，主要由外置式光纤传感器、传输光缆、光纤解调仪、监控主机、窄带宽激光光源组成，其特征在于：其监测步骤为：a、在桥梁的主梁底部粘结固定外置式光纤传感器，并将外置式光纤传感器用传输光缆(9)与光纤解调仪相连，再将光纤解调仪与监控主机相连。

b、采用干涉型光时域反射技术解调出由桥梁挠度引起的光纤中的后向散射光强度变化量，由监控主机中桥梁挠度监测软件计算出桥梁挠度，并输出桥梁的挠度变化曲线。

监控主机中所用的挠度监测软件的工作原理是：根据解调出的桥梁变形前与变形后光纤中各个位置后向瑞利散射光强度的改变量ΔI_i(x)，利用以下公式计算出桥梁各个位置的挠度，并显示桥梁的挠度变化曲线：

式中，ΔI₁(x)、ΔI₂(x)为桥梁变形前与变形后光纤中各个位置后向散射光强度的改变量，h为光纤到主梁轴线的垂直距离，C_Iε为散射光强度应变系数。

外置式光纤传感器制作工艺为：

a1、在裸光纤外包裹一层1mm厚的聚乙烯外包层构成传感光纤；

a2、在一个U形塑胶薄板内以蛇形方式在横向和纵向方向交替重复铺设传感光纤，即先沿横向以蛇形铺设传感光纤，横向光纤长度为180mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿纵向铺设距离为405mm，再沿纵向以蛇形铺设传感光纤，纵向光纤长度为150mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿横向铺设距离为45mm；

a3、用强力胶将铺设的传感光纤固定，同时在U形塑胶薄板两端要预留出一定长度的传感光纤；

a4、用环氧树脂填补U形塑胶薄板；

a5、用一个矩形塑胶薄板盖在U形塑胶薄板上封装固定；

a6、在预留的传感光纤上溶接光纤跳线。

外置式光纤传感器的安装方法为：先用强力胶将外置式光纤传感器粘结在桥梁主梁底部，再用螺钉进行固定。

本发明的有益效果是：

1、在桥梁的主梁底部粘结固定外置式光纤传感器，并将外置式光纤传感器用传输光缆与光纤解调仪相连，再将光纤解调仪与监控主机相连。采用干涉型光时域反射技术实现了对桥梁动挠度实时、快速、准确、有效的监测，确保桥梁的正常运行。

2、采用外置式光纤传感器，避免了在梁上开槽破坏结构的整体性，保证了传感器与桥梁之间较好的协调变形性，从而提高了测量结果的准确性。蛇形的光纤布设方式在一定程度上提高了挠度监测的定位精度，并且放大了外界的扰动。

附图说明

图1监测系统结构示意图

图2外置式光纤传感器结构图

图3传感光纤结构图

图中，1.U形塑胶板，2.矩形塑胶板，3.环氧树脂，4.光纤跳线，5.裸光纤，6.聚乙烯外包层，7.桥主梁，8.外置式光纤传感器，9.传输光缆，10.光纤解调仪，11.监控主机，12.窄带宽激光源。13.传感光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

该桥梁动挠度监测方法主要由外置式光纤传感器8、传输光缆9、光纤解调仪10、监控主机11、窄带宽激光光源12组成，其特征在于：在桥梁的主梁7底部粘结固定外置式光纤传感器8，并将外置式光纤传感器8用传输光缆9与光纤解调仪10相连，再将光纤解调仪10与监控主机11相连。采用干涉型光时域反射技术实时、自动测量桥梁的动挠度，如图1所示。

其中监控主机中所用的挠度监测软件的工作原理是：根据解调出的桥梁变形前与变形后光纤中各个位置后向瑞利散射光强度的改变量ΔI_i(x)，利用以下公式计算出桥梁各个位置的挠度，并显示桥梁的挠度变化曲线：

式中，ΔI₁(x)、ΔI₂(x)为桥梁变形前与变形后光纤中各个位置后向散射光强度的改变量，h为光纤到主梁轴线的垂直距离，C_Iε为散射光强度应变系数。

其计算原理如下：

光纤中后向散射光强度与应变是成线性关系的，如式1所示，

ΔI＝C_IεΔε (1)

式(1)中ΔI为桥梁变形前与变形后光纤中各个位置后向散射光强度改变量，C_Iε为散射光强度应变系数，Δε为应变改变量。

在桥梁中竖向变形为小变形，在桥梁全长取一微段，由材料力学积分法求挠度理论可知。

式(2)、(3)、(4)中ε(x)为桥梁主梁的应变值,h为光纤到主梁轴线的垂直距离，ρ为微段内中性层对应的曲率半径，d_θ为微段内两截面的相对转角。

结合式(1)、(4)，则桥梁的挠度曲线为：

如图2所示，外置式光纤传感器8的制作工艺如下:

a1、在一个U形塑胶薄板内以蛇形方式在横向和纵向方向交替重复铺设传感光纤，即先沿横向以蛇形铺设传感光纤，横向光纤长度为180mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿纵向铺设距离为405mm，再沿纵向以蛇形铺设传感光纤，纵向光纤长度为150mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿横向铺设距离为45mm；

a2、用强力胶将铺设的传感光纤固定，同时在U形塑胶薄板两端要预留出一定长度的传感光纤；

a3、用环氧树脂填补U形塑胶薄板；

a4、用一个矩形塑胶薄板盖在U形塑胶薄板上封装固定；

a5、在预留的传感光纤上溶接光纤跳线。

该外置式光纤传感器中，两个纵向光纤段和一个横向光纤段组成一个传感单元，使其定位精度的达到1m，并且放大力外界扰动。

如图3所示，传感光纤13的制作方法是在裸光纤5外包裹一层1mm厚的聚乙烯外包层6。实施例：

1、对裸光纤进行加工：在裸光纤外包裹一层1mm厚的聚乙烯外包层构成传感光纤。

2、制作外置式光纤传感器：

a1、在一个U形塑胶薄板内以蛇形方式在横向和纵向方向交替重复铺设传感光纤，即先沿横向以蛇形铺设传感光纤，横向光纤长度为180mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿纵向铺设距离为405mm，再沿纵向以蛇形铺设传感光纤，纵向光纤长度为150mm，光纤之间纵向间隔为15mm，沿横向铺设距离为45mm；

a2、用强力胶将铺设的传感光纤固定，同时在U形塑胶薄板两端要预留出一定长度的传感光纤；

a3、用环氧树脂填补U形塑胶薄板；

a4、用一个矩形塑胶薄板盖在U形塑胶薄板上封装固定；

a5、在预留的传感光纤上溶接光纤跳线。

3、在桥梁的主梁底部粘结固定外置式光纤传感器，并将外置式光纤传感器用传输光缆与光纤解调仪相连，再将光纤解调仪与监控主机相连。

4、采用干涉型光时域反射技术解调出由桥梁挠度引起的光纤中的后向散射光强度变化量，由监控主机中桥梁挠度监测软件计算出桥梁挠度，并输出桥梁的挠度变化曲线。