[发明专利]基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感检测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统。

背景技术

拉索是索类(斜拉索、悬索等)桥梁的重要受力构件，其受力状态是评价桥梁结构安全与否的重要指标之一。因此，研究拉索的索力检测方法，特别是在线检测方法，对评价桥梁的健康状况具有重要意义。

目前，斜拉索的索力检测方法有多种，如油压表法、磁通量法、测力环法、频率法等。但针对已建成的桥梁，频率法几乎是唯一选择。所谓频率法就是通过振动传感器测量拉索的固有频率来间接计算其索力的方法。频率法的特点是方便、灵活、成本低、精度佳、可用于在线测量。频率法的关键是检测装置的选择和拉索固有频率的识别方法。

常用基于压电式拾振器的监测装置，输出弱电信号，直接传输距离不超过几百米，且怕潮湿，易受干扰，不能在自然环境下长期工作，一般仅用于定期检测。另外，与之配套的索力测试软件，不能实现对拉索振动特征频率的自动检索，不能实现自动测量。

近年来，随着光纤传感技术的发展，本人所在的课题组开展了基于光纤光栅传感的桥梁索力在线监测系统的研究，取得了一些成果，如2006年《武汉理工大学学报》第28卷第8期的文章“新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力”。但在总结这些成果的同时也发现如下不足：

(1)光纤传感器的稳定性较差。主要原因是采用的传感元件FBG的反射谱较窄，受安装工艺和环境温度变化的影响，双光栅匹配失效的概率大，另外双悬臂梁结构的设计也是造成传感器失效的原因之一。

(2)单点测量，系统的复用能力差，难以形成大规模传感网络，不能实现分布式测量。

(3)识别方法的可靠性较差。目前采用的识别法主要识别拉索的一阶固有频率，这样识别难度很大，可靠性很差。原因是(如)有些长索的固有频率很低，甚至超出传感器的低频截止范围，识别就会失败。

针对上述存在的问题，到目前为止还未见解决办法的有关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测方法与系统，为大跨度桥梁拉索的在线检测提供更可靠的技术手段。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统，包括依次连接的光纤光栅振动传感器组、光纤光栅振动解调仪和拉索振动信号处理单元，其特征在于：所述的光纤光栅振动传感器组包括串联在同一根光纤上的若干个光纤光栅振动传感器，每个光纤光栅振动传感器包括设置在桥梁拉索上的悬臂梁，悬臂梁的末端连接有质量块，悬臂梁的上下表面对称设有一对啁啾光栅，2个啁啾光栅位于一根光纤上；所述的光纤光栅振动解调仪包括宽带光源、耦合器、波分复用器和光电探测器阵列，宽带光源的光经耦合器进入光纤光栅振动传感器组，光纤光栅振动传感器组返回的光信号经过光耦合器进入波分复用器，波分复用器的输出端通过光电探测器阵列将光信号转换为电信号再输入给所述的拉索振动信号处理单元；

所述的波分复用器包含一个输入端和n个输出端，输出n个位于不同波段的光，光波带宽大于光纤光栅振动传感器组反射谱的最大带宽，每个输出端连接一个光电探测器，n个光电探测器构成所述的光电探测器阵列。

按上述系统，所述的啁啾光栅均采用两点粘贴的方式安装在悬臂梁的上下表面，且施加预应力，波长变化量控制在1±0.1nm范围内。

按上述系统，同一个光纤光栅振动传感器中的2个啁啾光栅的3dB带宽均为2nm，初始状态下的中心波长差小于0.5nm，温度灵敏度系数的差值小于2pm/℃。

利用基于光纤传感的桥梁拉索索力在线检测系统实现的在线检测方法，其特征在于：通过桥梁拉索上安装的光纤光栅振动传感器组获取拉索的振动响应，分析拉索的振动频谱，识别出拉索的振动基频，根据索力与基频的关系计算拉索的索力。

按上述方法，识别拉索的振动基频的方法为：根据拉索频谱中任意两阶相邻谱峰的频率统计值来求取拉索的振动基频。