一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统，属于光纤传感监测技术领域。

背景技术

实时监测桥梁的健康状态至关重要，可以提前发现桥梁的安全隐患，规避事故的发生。桥梁缆索是桥梁的重要组成部分，一般需要对桥梁缆索的索力、温度、湿度进行实时监测。传统用于桥梁缆索健康状态检测的传感器还停留在电子传感器，这类传感器有一定的局限性，受环境影响较大、需要供电、寿命短，不利于长期监测桥梁缆索的状态。利用光纤光栅传感器代替电子传感器，可以避免这些缺点，而且测量精度高，可以更加有效地测量桥梁缆索的状态。

光纤光栅传感器耐久性好、抗电磁干扰，适于长期监测，既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量；波长编码，可以方便实现绝对测量。光纤光栅传感技术在索力监测、缆索的温度测量中均有着突出的优点，然而在实际工程的应用中，尚存在许多问题。例如，桥梁缆索多参量监测及数据传输问题、传感器温度和湿度的交叉敏感问题等，这些都会影响缆索检测的精确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有问题提供一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统，便于监测桥梁缆索索力和索体内部的温湿度三个参量；另外，本申请还要解决传感器的温湿度交叉敏感问题，能够实时准确测量缆索索体内部的温度、湿度，实现桥梁缆索健康自动诊断与维护。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统，包括光纤光栅传感器、无线解调系统和上位机，所述光纤光栅传感器布设于缆索内部；

所述光纤光栅传感器：用于监测桥梁缆索索力和索体内部的温湿度；

所述无线解调系统：与光纤光栅传感器互连及通信，用于采集并无线发送光纤光栅传感器的测量值；

所述上位机：与无线解调系统互连及通信，用于实时在线接收和解调桥梁缆索的索力和温湿度信息，并对湿度进行温度补偿，并将温度和补偿计算后的湿度数据进行可视化展示，并提供预警功能；温度对湿度的补偿计算公式为：

温度计算公式：

T＝K

T为温补端子的待测温度；

K

λ

λ

T

湿度计算公式：

P＝K

P为湿度端子的待测湿度；

K

λ

λ

K

λ

λ

P

所述光纤光栅传感器包括光纤光栅索力传感器和光纤光栅温湿度传感器，所述光纤光栅索力传感器设于缆索的平行钢丝上，所述光纤光栅温湿度传感器设于缆索的套筒内，且所述套筒具有观察窗，用于实现光纤光栅温湿度传感器可视化。

所述光纤光栅索力传感器包括用于穿设光纤光栅的第一保护管，所述第一保护管一端设有固定端子，所述第一保护管另一端设有预张端子，所述光纤光栅一端穿设固定端子且固定于固定端子，所述光纤光栅另一端穿设预张端子且固定于预张端子，所述固定端子和预张端子内端分别设于第一保护管内，所述固定端子和预张端子外端分别连接尾套单元，对光纤光栅进行封装。

所述尾套单元包括尾套和尾套端子，所述尾套与尾套端子螺纹连接。

所述固定端子外圆周上设有限位环，所述第一保护管一端抵住限位环。

所述预张端子上设有预张螺母，所述预张螺母与预张端子螺纹连接，所述第一保护管另一端抵住预张螺母。

所述固定端子和预张端子上分别开设端子凹槽，所述光纤光栅两端分别设于两端子凹槽内。

所述第一保护管内设有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧一端抵于第一保护管的固定端子，所述拉伸弹簧另一端抵于第一保护管的预张端子。

所述光纤光栅温湿度传感器包括第二保护管，所述第二保护管内沿轴向穿设光纤，露出所述第二保护管的光纤上设有铠装护套，且所述铠装护套与第二保护管之间通过密封端盖固定，所述第二保护管管内设有湿度端子和温补端子。

所述第二保护管上开设若干通孔，使得所述第二保护管呈镂空状。

所述无线解调系统包括光纤光栅解调模块和DTU模块，所述光纤光栅解调模块和DTU模块由太阳能供电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统，

1、为了解决传感器温度和湿度的交叉敏感问题，本系统采用内置温度补偿的方式，既解决传感器的温湿度交叉敏感问题，又实现温湿度同时测量，满足缆索的工程应用需求。

2、桥梁缆索受现场供电和通信限制，给光纤光栅传感器的信号传输增加了困难。本系统采用太阳能供电的方式和无线数据传输的方式，无线解调系统采用低功耗模块，满足野外桥梁缆索多参数全天候在线实时监测的需求。

3、本系统采用无线组网方式，通过4G传输，将数据上传至云端，监测系统软件从云端提取数据，同时管理多台无线解调系统。监测系统软件采用B/S开发技术，实时在线接收和解调桥梁缆索的索力和温湿度多个参量信息，通过数据可视化进行展示，并提供预警功能。可联动缆索除湿系统，实现桥梁缆索健康自动诊断与维护，保障了桥梁的安全运营，满足我国智慧型基础设施建设需求。

4、便于对光纤光栅索力传感器中光纤光栅进行预张，防止光纤光栅折弯，减少了传感器运输过程及安装过程发生损坏。在固定端子和预张端子之间设置拉伸弹簧，对光纤光栅具有拉伸保护。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统的示意图；

图2为图1中光纤光栅索力传感器的示意图；

图3为图1中光纤光栅温湿度传感器的剖视图；

图中1光纤光栅索力传感器、1.1第一保护管、1.2预张端子、1.3预张螺母、1.4尾套、1.5尾套端子、1.6拉伸弹簧、1.7固定端子、2光纤光栅温湿度传感器、2.1第二保护管、2.2光纤、2.3湿度端子、2.4温补端子、2.5铠装护套、2.6密封端盖、3平行钢丝、4套筒、5观察窗、6光纤光栅解调模块、7DTU模块、8无线解调系统、9上位机。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种基于光纤光栅传感器的桥梁缆索健康诊断在线监测系统，包括光纤光栅传感器、无线解调系统8和上位机9。其中，光纤光栅传感器包括光纤光栅索力传感器1和光纤光栅温湿度传感器2，光纤光栅索力传感器1通过夹具单元设于缆索索体内的平行钢丝3上，光纤光栅温湿度传感器2设于缆索的套筒4内，且套筒4具有观察窗5，用于实现光纤光栅温湿度传感器2可视化。

如图2所示，光纤光栅索力传感器1包括用于穿设光纤光栅的第一保护管1.1，光纤光栅两端露出于第一保护管1.1。第一保护管1.1一端设有固定端子1.7，固定端子1.7内端设于第一保护管1.1内，固定端子1.7外端上开设端子凹槽，光纤光栅一端穿设固定端子1.7，且通过胶水固定于固定端子1.7的端子凹槽内。第一保护管1.1另一端设有预张端子1.2，预张端子1.2内端设于第一保护管1.1内，预张端子1.2外端也开设端子凹槽，光纤光栅另一端穿设预张端子1.2，且通过胶水固定于预张端子1.2的端子凹槽内。固定端子1.7外端和预张端子1.2外端分别与尾套1.4螺纹连接，且尾套1.4还与尾套端子1.5螺纹连接，对光纤光栅尾纤进行封装，避免尾纤弯折，提高光纤光栅的存活率，提高了光纤光栅索力传感器的使用寿命。

上述固定端子1.7外圆周上设有限位环，第一保护管1.1一端抵住限位环。预张端子1.2上套设预张螺母1.3，预张螺母1.3与预张端子1.2螺纹连接，第一保护管1.1另一端抵住预张螺母1.3。第一保护管1.1内设有拉伸弹簧1.6，拉伸弹簧1.6套于光纤光栅。拉伸弹簧1.6一端与预张端子1.2内端通过胶水固定连接，拉伸弹簧1.6另一端与固定端子1.7内端通过胶水固定连接。旋动预张螺母1.3，使得预张端子1.2发生移动，带动光纤光栅完成预张，便于光纤光栅预张。拉伸弹簧1.6对光纤光栅具有拉伸保护，防止光纤光栅受到外力而破损。

本光纤光栅穿设第一保护管，且光纤光栅两端胶固于预张端子和固定端子的端子凹槽内，通过尾套和尾套端子对光纤光栅尾纤封装，防止尾纤弯折，减少了传感器运输过程发生损坏。缆索应力先传到固定端子和预张端子上，再传导到光纤光栅，使得光纤光栅的波长产生变化。

如图3所示，光纤光栅温湿度传感器2包括第二保护管2.1，第二保护管2.1内沿轴向穿设光纤2.2，露出第二保护管2.1的光纤2.2上设有铠装护套2.5，且铠装护套2.5与第二保护管2.1之间通过密封端盖2.6固定，对第二保护管2.1进行密封。第二保护管2.1管内设有湿度端子2.3和温补端子2.4。

上述第二保护管2.1上开设若干通孔，使得第二保护管2.1呈镂空状，增加了光纤光栅温湿度传感器2与水汽的接触通道，提高了湿度相应时间。

光纤光栅索力传感器1：用于监测桥梁缆索索力。

光纤光栅温湿度传感器2：用于监测桥梁索体内部的温度、湿度。

无线解调系统8包括光纤光栅解调模块6和DTU模块7：与光纤光栅索力传感器1、光纤光栅温湿度传感器2互连及通信，用于采集并无线发送光纤光栅索力传感器1和光纤光栅温湿度传感器2的测量值。

上位机9：与无线解调系统8互连及通信，用于实时在线接收和解调桥梁缆索的索力和温湿度信息，并对湿度进行温度补偿，并将温度和补偿计算后的湿度数据进行可视化展示，并提供预警功能。

其中，温度计算公式：

T＝K

T为温补端子的待测温度；

K

λ

λ

T

公式中K

湿度计算公式：

P＝K

P为湿度端子的待测湿度；

K

λ

λ

K

λ

λ

P

上述公式中K

表一

为了解决传感器温度和湿度的交叉敏感问题，本系统采用内置温度补偿的方式，既解决传感器的温湿度交叉敏感问题，又实现温湿度同时测量，满足缆索的工程应用需求。

桥梁缆索受现场供电和通信限制，给光纤光栅传感器的信号传输增加了困难。为了解决工程实际应用问题，本系统采用太阳能供电的方式和无线数据传输的方式，无线解调系统采用低功耗模块，满足野外桥梁缆索多参数全天候在线实时监测的需求。

本系统采用无线组网方式，通过4G传输，将数据上传至云端，监测系统软件从云端提取数据，同时管理多台无线解调系统。监测系统软件采用B/S开发技术，实时在线接收和解调桥梁缆索的索力和温湿度信息，通过数据可视化进行展示，并提供预警功能。可联动缆索除湿系统，实现桥梁缆索健康自动诊断与维护，保障了桥梁的安全运营，满足我国智慧型基础设施建设需求。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。