一种多维多向应力应变监测系统技术方案

本发明专利技术公开一种多维多向应力应变监测系统，其特征在于：包括信息采集装置（1）、光纤监测装置（2）、数据分析平台（3）、集线箱（4）和设置在待测结构体（6）中的光纤传感装置（5）；所述光纤传感装置（5）用于感知待测结构体（6）在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置（2）通过集线箱（4）与所述光纤传感装置（5）连接，对待测结构体（6）进行分布式高精度监测；所述信息采集装置（1）与所述光纤监测装置（2）连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台（3）与所述信息采集装置（1）相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。本发明专利技术系统具有极强的可操性，及其实际运用中较强的可实现性。

【技术实现步骤摘要】
一种多维多向应力应变监测系统
本专利技术涉及一种基于PPP-B0TDA技术的多维多向应力应变监测系统，属于光纤传感技术在结构健康监测领域中的应用。
技术介绍
1864年英国谢菲尔德水库堤坝溃决，造成254人的死亡；1907年加拿大魁北克桥突然全桥倒塌，造成74人死；2000年美国加州的Carlsbad市一条天然气管线泄漏并发生爆炸，造成12人死亡。大量事例表明，重大水利与土木工程在超长服役期间不可避免的遭受材料本身性能退化、不利环境荷载作用等的影响，极易引起工程结构服役性态异常，若不能及时监测和发现，极有可能导致一些灾难性事件的发生。在中国，随着大量民用军用工程的兴建，重要工程及重大结构的安全监测监控意义变得极为重大，因此，研发高分辨率、高精度、大测量范围、高信息量以及高可靠性的分布式监测技术和系统，已成为广大科研工作者和工程界高度关注的研究热点和方向。传统的监测设备容易受到外界温度、湿度等环境影响而产生测值漂移等问题；监测方式基本为点式监测，其对大型结构体的全面监测监控基本不可能实现。目前的FBG技术虽然监测精度极高，可以达到3μ ε的应变测量精度，但是不能真正的实现分布式监测；BOFDA技术虽然空间分辨率高，但是测量范围过小；B0CDA技术其传感距离过短，只能对光纤上单独的某一点进行监测；B0TDR技术其精度仅为±50 μ ε，且空间分辨率仅Im左右。脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术(Pulse-PrePump Brillouin Time DomainAnalysis)具有高空间分辨率以及高测量精度，真正实现了分布式监测。该技术第一次进入了定量化的实用水平，是一种可靠的分布式监测手段，为工程安全监测提供了一种全新的思路。PPP-B0TDA分布式光纤传感技术在桩基、油井、复合材料以及预应力梁的变形监测方面有一些较成熟的应用，但基于PPP-B0TDA技术的空间多维多向应力应变分布式光纤监测目前尚没有公开的研究成果，其系统化的实现以及研究更是一个空白。
技术实现思路
专利技术目的:本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多维多向应力应变监测系统，为结构健康诊断与评估提供更加有效、准确及全面的监测信息。技术方案:本专利技术所述的多维多向应力应变监测系统，包括信息采集装置、光纤监测装置、数据分析平台、集线箱和设置在待测结构体中的光纤传感装置；所述光纤传感装置用于感知待测结构体在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置通过集线箱与所述光纤传感装置连接，对待测结构体进行分布式高精度监测；所述信息采集装置与所述光纤监测装置连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台与所述信息采集装置相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。所述光纤监测装置包括信号处理设备、泵浦光源、光电转换开关、放大器、光路控制设备、探测光源、偏控设备、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和测量计时功能用装置，所述信号处理设备的信号连接端口 E和信号连接端口 F分别连接泵浦光源和探测光源的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源的光信号输出端口依次连接光电转换开关和放大器和光路控制设备输入端口，后经集线箱与光纤传感装置中当前监测的光纤的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备的输入端口，后经集线箱与光纤传感装置中当前监测的光纤的末端另一跳线连接端口连接；第一光电探测器的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备的C接口连接，将探测到的泵浦光源的实际输出值传输给信号处理设备以对泵浦光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；第二光电探测器的信号输入端与探测光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备的D接口连接，将探测到的探测光源的实际输出值传输给信号处理设备以对探测光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；测量计时功能用装置的信号输入端与传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备的B接口连接实现对传输路径上光纤各点的空间定位；第三光电探测器的信号输入端与光路控制设备(11)的传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备的A接口连接，实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。泵浦光源端口和光纤初始端相连，探测光源端口与光纤末端相接，形成光纤监测回路。在相继射入不同脉冲宽度的两个泵浦光中，由前一个泵浦光(PrePump)，预先激发声子，声波安定之后再注入用于测量的泵浦光脉冲，这样既可以保证高的空间分辨率又可以不缩短脉冲光的宽度，保证了布里渊增益及频谱形态的良好状态。当外界环境变化引起光纤变形时，其 Λ Vb=Cve Δ ε +Cvt ΔΤ, vb ( ε , T) =vB (O) +Cve ε +Cvl Δ Τ，微分表达式为:+其中 Vb (ε，Τ)表示在应变为 ε、温度 α εClT为T时的布里渊频移，Vb(O)表示在无应变以及初始温度下的布里渊初始频移， a ε为应变影响系数，为温度影响系数。基于上述基本原理，可以实现光纤应变和 ClT温度的同时监测，ΡΡΡ-BOTDA的技术原理具体参见附图2，预泵浦脉冲描述如公式所 Ap+Cp,(Dpre-D<t<D)示:4(0=式中，D为泵浦脉冲光持续时间，Dpm为脉冲预泵_0,(其他)，浦光持续的时间；从摄动理论可以推导出探测光受激布里渊散射振幅公式为:E?=(0，t) =Acff(l+β H(t, Ω))。工作时，探测光源发出的连续探测光信号；泵浦光源发出的脉冲光在光纤中产生背向布里渊散射信号的中心频率从脉冲光频率V变为斯托克斯频率v-vB CvB为布里渊频移)，当连续光的频率等于斯托克斯光的频率时，连续光通过与脉冲光的布里渊放大作用而得到放大。被放大了的连续光通过滤波滤除其他频率成分后，进而可以得到待测结构体中监测用光纤各点的布里渊频移分布，通过信号处理设备上的B接口连接测量计时功能用装置来实现空间定位，通过信号处理设备上的A接口连接光电探测器实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。通过信息采集装置进行处理从而得到待测量的信息，后再经过数据分析软件平台达到最终数据的多角度多层次分析，进而揭示待测结构体的工作性态。所述光纤传感装置由布设在待测结构体中的多维多向应力应变器组成，通过串联布设，且通过固定装置固定在待测结构体中。光纤传感装置中的光纤主要包括两大部分:传输用光纤部分以及传感用光纤部分。传输用光纤部分主要是一些传输用光缆，此光缆保护部件应具有高强度、抗侵蚀、抗氧化以及易于铺设等特性；传感用光纤主要分为光纤传感器内部特殊布设形式的重点监测用光纤以及光纤传感器外部的普通用监测光纤。所述多维多向应力应变器为二维三向应力应变器，包括圆盘状的基盘、设置在基盘的圆周内侧的沟槽、固定件、距离标尺、角度标尺、封装件和位于光纤两端的端口跳线；所述固定件设置在基盘的圆心处及沟槽中，用于固定光纤走向；所述距离标尺穿过基盘的圆心设置，用于标定仪器内部光纤总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺设置在所述沟槽边缘处，用来标记光纤的不同方向和角度；所述封装件覆盖在所述基盘上部，通过固定件的顶部固定；所述端口跳线分别伸出基盘与外部器件相连。信息采集装置主要通过相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多维多向应力应变监测系统，其特征在于：包括信息采集装置（1）、光纤监测装置（2）、数据分析平台（3）、集线箱（4）和设置在待测结构体（6）中的光纤传感装置（5）；所述光纤传感装置（5）用于感知待测结构体（6）在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置（2）通过集线箱（4）与所述光纤传感装置（5）连接，对待测结构体（6）进行分布式高精度监测；所述信息采集装置（1）与所述光纤监测装置（2）连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台（3）与所述信息采集装置（1）相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。

【技术特征摘要】
1.一种多维多向应力应变监测系统，其特征在于:包括信息采集装置(I)、光纤监测装置(2)、数据分析平台(3)、集线箱(4)和设置在待测结构体(6)中的光纤传感装置(5);所述光纤传感装置(5)用于感知待测结构体(6)在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置(2 )通过集线箱(4 )与所述光纤传感装置(5 )连接，对待测结构体(6 )进行分布式高精度监测；所述信息采集装置(I)与所述光纤监测装置(2 )连接，用于捕获和存储光纤监测数据，并将监测信息数字化、可视化；所述数据分析平台(3)与所述信息采集装置(I)相连，为用户提供数据准备、图形查看、数据基本分析和应力计算功能。2.根据权利要求1所述的多维多向应力应变监测系统，其特征在于:所述光纤监测装置(2)包括信号处理设备(7)、泵浦光源(8)、光电转换开关(9)、放大器(10)、光路控制设备(11)、探测光源(12)、偏控设备(13)、第一光电探测器(14)、第二光电探测器(15)、第三光电探测器(17)和测量计时功能用装置(16)，所述信号处理设备(7)的信号连接端口 E和信号连接端口 F分别连接泵浦光源(8)和探测光源(12)的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源(8)的光信号输出端口依次连接光电转换开关(9)和放大器(10)和光路控制设备(11)输入端口，后经集线箱(4)与光纤传感装置(5)中当前监测的光纤的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备(13)的输入端口，后经集线箱(4)与光纤传感装置(5)中当前监测的光纤的末端另一跳线连接端口连接； 第一光电探测器(14)的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备(7)的C接口...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏怀智，杨孟，李皓，杨迁，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：