监测桩基冲刷状态的新型光纤Bragg光栅传感器 - 图文-

1、2010年第7期仪表技术与传感器I nstru ment Technique and Sens or 2010No 17 基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(E2007-10收稿日期:2010-03-30收修改稿日期:2010-04-10监测桩基冲刷状态的新型光纤Bragg 光栅传感器潘洪亮1,2,何俊2,杨2(1.黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027;2.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:桥梁结构被破坏的重要原因之一就是水流对桩基的冲刷使桥墩附近的基础被逐渐冲蚀,桥墩通常对于水流起阻碍作用,进而导致在桥墩附近水流流速过快并产生漩涡,冲蚀桥墩附近基

2、础,使桥梁处于不安全的状态。由于河流冲蚀对桥梁造成的破坏已经成为世界关注的焦点。目前的桩基冲刷监测方法如人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(T DR 等有离线、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点,难于实时、准确监测桩基的冲刷状态。文中提出了一种通过监测桩基附近土压力大小进而分析桩基冲刷状态的新型冲刷传感器,敏感元件选取光纤光栅(F BG ,光栅的封装采用经过结构优化设计的GFRP 悬臂梁,在此基础上制作出适合实际工程应用的光纤光栅桩基冲刷监测传感器,同时通过大量的实验验证了这种传感器的传感性能,其空间分辨率达011m.关键词:光纤光学;冲刷传感器;光纤光栅;桩基冲刷中图分类号:T

3、P212.14文献标识码:A 文章编号:1002-1841(201007-0010-03New M ethod on Scour i n g Sen sor Ba sed on FBGP AN Hong 2liang 1,2,HE Jun 2,Y ANG Kan2(1.College of Electr i ca l and I nforma ti on Eng i n eer i n g,He ilongji a ng I n stitute of Sc i ence and Technology,Harb i n 150027,Ch i n a;2.School of M echa tro

4、n i cs Eng i n eer i n g,Harb i n I n stitute of Technology,Harb i n 150001,Ch i n aAbstract:Local scour t o the p ier f ooting is one of the most seri ous fact ors for the bridge failure .B ridge p iers often obstruct the fl ow of fl ood waters,causing an increase in vel ocity and the devel opment

5、of vortices .The increased vel ocity and vortices often cause scour near the bridge foundati ons .The da mage t o bridges caused by scour are p r oblem s of internati onal concern .The common methods such as s onar,radar,ti m e do main reflect ometry (T DR are difficult for the real ti m e l ocal s

6、our monit oring because of its bad surr oundings ar ound the p iers .A ne w kind of F BG s ouring sens or f or the l ocal scour was indicated .F BG was encap sulated in GFRP cantilever beam and the structure of the sens or was op ti m ized by Ansys s oft w are .Then gr oup s of experi m ents were ca

7、rried out t o validate the characters of the sens or .The s pace res oluti on of the sens or is up t o 011m.Key words:fiber op tics;scouring sens or;F BG;l ocal scour 0引言传统的冲刷深度测量仪器有人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(T DR 等1-2,目前的冲刷监测手段缺乏实用性,一般都有离线、精度低、稳定性差、成本高、传感元件耐久性差等缺点3。近年发展起来的高性能准分布光纤光栅传感元件具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布设

8、、易于组网和实时监测能力强等优点,为这一难题的解决提供新的思路4-7。国立台湾大学与国家地震工程研究中心联合开发出一款光纤光栅桥梁冲刷传感器,其传感探头是在悬臂圆盘结构中粘贴裸光纤光栅,露出河床的传感探头受到水流冲击,悬臂圆盘发生抖动,光纤光栅感知圆盘振动变化大,在河床以下的探头不受水流冲击时静止不动,光纤光栅感知圆盘振动变化小,根据光纤光栅感知振动情况的大小确定河床的冲刷深度,但这种传感器的设计不能排除随深度变化的覆土土压力和静水压力对传感探头的影响,其空间分辨率为015m,且未考虑温度补偿问题,可能造成较大测量误差。文中提出一种基于光纤光栅传感原理的高空间分辨率的冲刷传感器,其监测原理是桥

9、墩附近的基础被冲蚀后,基础对桥墩的压力(广义的认为是土压力就会发生改变,通过监测桥墩附近土层的压力变化就可以监测桥墩基础被冲刷的深度,而设计的冲刷传感器就是利用光纤光栅监测土层压力变化,进而监测桩基的冲刷深度。1光纤光栅传感技术基本原理当布拉格光栅受到外界应变或温度变化时,光栅栅格周期会发生变化,同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化,从而光栅中心波长变化,通过监测反射光谱中光栅中心波长的变化可以得到外界应变或温度的变化,如图1所示。图1光纤光栅原理示意图第7期潘洪亮等:监测桩基冲刷状态的新型光纤B ragg 光栅传感器11由麦克斯韦经典方程,结合光纤耦合模理论,可知 B =2n eff(1式中

10、:B 为光栅的中心波长;n eff 为光栅的有效折射率;为光栅的栅格周期。综合考虑应变及温度对布拉格光栅的影响,得到B =+T T (2式中:为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数;T 为光栅与温度变化关系的灵敏度系数。文中涉及冲刷传感器的温度补偿方法采用不受力光栅温度补偿技术,因此有应变测量光栅:B1=1+T1T (3温度补偿光栅:B2=T2T (4对于同批次光栅,在一定误差范围内认为T 1=T 2,则=B 1-B 21(5当外界压力发生变化时,光纤光栅发生变形,因此土层压力的变化可表现为光栅中心波长的变化,文中以此作为设计冲刷传感器的理论基础。2光纤光栅冲刷传感器工作原理及结构优化2

11、11传感器工作原理设计的光纤光栅冲刷传感器的结构示意图如图2所示。桩基附近的土压力对传感器内不同位置探杆挤压作用不同,以F BG 作为敏感元件对冲刷位置进行监测,其中F BG 被封装在玻璃纤维增强树脂(FRP 的悬臂梁内。其主要部件包括:(1FRP 悬臂梁:将栓杆的土压力传递至光纤光栅;(2光纤光栅:应变监测光纤光栅用于监测悬臂梁的变形,温度补偿光纤光栅用于应变监测的温度补偿;(3土压力传递机构:包括预置小刚度弹簧、传力栓杆、传力圆盘;(4复位螺栓:传感器初始状态的复位。 冲刷传感器的工作原理(图3所示为:安装前,对传感器进行复位,悬臂梁的下端与所有的传力栓杆分离,按监测要求将传感器布设安装到

12、桥墩附近土层的相应层段中,取消复位,则悬臂梁与第一个传力杆接触;当桩基土层被水流冲蚀到一定程度时(传感器所示空间分辨率的下一基点,第一个预埋的土压力传力杆露出桩基土层,作用在传力杆上的土压力和FRP 粱的压力不平衡,传力杆失去对梁的限位作用,此时FRP 悬臂梁与第二个预埋位置的压力杆接触。2个传力杆及圆盘安装位置和尺寸的不同,光纤光栅所感知的应变亦不同,此时光纤光栅会监测到一个应变变化,从而得知外界土层厚度信息。第二个压力杆以及其他传力杆的位置由传感器规定的空间分辨率以及土层参数决定,其他传力杆的工作模式类似。212传感器尺寸的优化设计传感器工作时,桩基附近的土压力提供约束,通过传力圆盘、传力

13、杆传递至复合F BG 的FRP 悬臂梁端的压力,因此梁所受到的荷载与传感器本身尺寸密切相关。传感器采用复合F BG1的GFRP 悬臂梁作为敏感元件,用于监测外界压力的变化,室内实验设计的传感器监测长度为012m,空间分辨率为011m,需要3个传力机构,对应悬臂梁的受力位置就有3个,因此无法设计为等强度梁。但为了保证梁的根部具有较好的等应变区域方便测量,设计采用类似等强度梁的形状。光纤光栅温度补偿传感器F BG2被封装在一铁筒内,不受外界压力影响,只监测温度变化,其位置粘贴在悬臂梁背面。梁的设计尺寸见图4。图4梁的具体尺寸采用ANSYS 建立模型,考虑光纤光栅的极限应变,以及光栅具有足够的量程和

14、精度,通过施加不同大小的位移荷载,进行受力分析。梁采用GFRP 材料,在悬臂梁不受载荷的情况下其模型如图5所示。悬臂梁在不同位置承受不同载荷的情况下,其光栅处的变形不同,结构优化设计的意义在于在接近土层压力情况的载荷下,充分考虑光栅的精度和量程,设计合理的传力杆的结构和尺寸,以保证光栅段对土层压力的敏感。经过优化设计后,在距离悬臂梁端部500mm,600mm,700mm 处分别施加50mm,50mm,30mm 的位移载荷时,模拟3个不同的传力杆与悬臂梁接触时的位移,此时光栅处的平均应变分别为784,511,211,其应变云图如图6图8所示,此设计结果可保证冲刷传感器在满足设计精度和量程要求的基

15、础12I nstru ment Technique and Sens orJul 12010上,具有一定的强度和土压力监测的冗余度。以此为基础结合传感器的整体尺寸,设计传感器的3个传力杆件的长度分别为110mm,100mm,90mm. 3光纤光栅冲刷传感器的性能实验室内实验是在实验容器中装填砂土再挖出的方法模拟桩基附近土层被冲蚀的工况,光纤光栅解调设备采用多波长计AQ6741,实验布置示意图如图9所示。 图9冲刷传感器性能实验示意图传感器的初始状态是传感器的悬臂梁处于自由状态,此时F BG1的中心波长为15301054n m,F BG2的中心波长值为15341064n m,此时为F BG1未发

16、生变形将其应变量记为0.复位状态是将复位螺栓复位,悬臂梁的弯曲变形受到复位螺栓的限制,同时将传感器置于实验容器中,并以土层覆盖至传感器监测量程(1m 以上的位置,此时模拟传感器置入桩基附近土层时的受力状态。复位状态下F BG1的中心波长值为15301612n m,F BG2的中心波长值为15341062n m.在此基础上,传感器进入工作状态,各部件如图9所示。其性能实验主要分为4步:(1松开或撤掉复位螺栓,土层的压力作用于传感器的传力杆1,传力杆1使土压力与悬臂梁受力平衡,悬臂梁的弯曲程度较初始状态发生变化,此时F BG1的中心波长变为15301427n m,F BG2的中心波长为153410

17、64n m,此时光栅处应变为31018,传感器处于第一工作状态,此时模拟桩基未被冲刷的工况。(2当桩基受到冲蚀,土层位置下降,传感器的传力杆1露出土层,失去土层压力的传力杆1被悬臂梁弹出,悬臂梁弯曲程度改变并与传力杆2接触,传递土层压力至光栅处的变形,此时F BG1的中心波长变为15301349n m,F BG2的中心波长为15341061n m,此时光栅处应变为246,传感器处于第二工作状态,说明此时桩基受到冲蚀。(3桩基继续受到冲蚀,土层位置继续下降,传感器的传力杆2露出土层,失去土层压力的传力杆2被悬臂梁弹出,悬臂梁弯曲程度改变并与传力杆3接触,传递土层压力至光栅处的变形,此时F BG1

18、的中心波长变为15301264n m,F BG2的中心波长为15341063n m,此时光栅处应变为210,传感器处于第三工作状态,说明此时桩基相对第一工作状态被冲蚀了011m,可设置预警系统进行警示。此011m 即为传感器所设定的空间分辨率。(4如第三工作状态的预警位置未到冲刷临界位置,冲蚀继续,土层位置继续下降,传力杆3露出土层被悬臂梁弹出,悬臂梁将处于自由状态,此时F BG1的中心波长为15301062n m,F BG2的中心波长为15341061n m,此时光栅处应变为612,再继续工作将超出传感器的工作范围,此时土层位置已较初始状态下降012m,此012m 即为传感器所设定的量程。实

19、验结果如表1所示。表1冲刷传感器性能实验结果序号工作状态F BG1中心波长/nmF BG2中心波长/nm应变/理论应变/1初始状态1530105415341064002复位状态15301612153410624659123工作状态11530142715341064310187844工作状态215301349153410612465145工作状态315301264153410631752116超出监测范围1530106215341061617可以看出,在土层接触不同栓杆时,监测得到的悬臂梁的变形可以区分传感器的不同工作状态,如图10所示,图中横坐标代表传感器所处的6个工况。作为温度补偿传感器的F

20、 BG2在整个实验过程中数值变化不大说明实验过程中温度未发生较大变化,符合实际情况,温度补偿效果也得到验证,如图11所示。实验中F BG2测得悬臂的梁应变与Ansys 计算的应变值存在一定差别,其主要原因是由于GFRP -OF BG 悬臂梁的加工过程中不能严格保证光栅所处于FRP 梁上的位置准确,且悬臂梁结构长而薄,易导致测量应变的误差,但该设计各工作状态悬臂梁的变形差别较(下转第15页第7期马勇等:基于积分球算法的新式瓦斯传感器15源信号的强度很小,结果就不易测出,所以在系统中引入锁相放大模块,这种信号处理技术对所测信号具有极高的放大倍数,可以高效地检测并放大微弱的交流信号7。 实验中进气孔

21、通过针阀控制注入气室的气体流量,出气孔接有真空泵,可使气室抽真空。将不同标准浓度的瓦斯气体以150mL /m in 的流速缓慢通过积分球吸收气室进行测量,并进行多次重复实验,以检测此积分球瓦斯检测系统的重复性是否足够好,能否满足实际应用的需要,实验结果表示如图4所示。 图3甲烷浓度检测系统结构框图实验结果表明,研制的瓦斯气体传感器系统的性能稳定,准确度高,重复性好。理论值与计算值几近相同,与实验预想匹配的很好,说明提出的积分球算法的想法在瓦斯浓度的检测中实现的很好。4结束语文中首次将积分球做为瓦斯气体传感器的吸收气室,充分利用了积分球可以增加传感长度的优点,巧妙的解决了以往瓦斯检测传感器气体传

22、感长度和体积之间的矛盾关系,在有限的体积内获得了更长的传感长度,结果表现出了极高的灵敏度和极强的稳定性,为瓦斯检测研究提出了一种新方法、新途径。图4甲烷算法值与标准浓度关系图参考文献:1王书涛,车仁生,王玉田,等.光纤甲烷气体传感器的研究.仪器仪表学报,2006,27(10:1276-1279.2王立新,张爱军,张宇,等.光谱吸收型光纤气体传感器的研究.传感器技术,2005,24(1:12-13.3张景超,管立君.基于近红外吸收原理的甲烷浓度检测研究:学位论文.秦始岛:燕山大学,2008.4张冈,王军,撒继铭,等.基于光谱吸收的光纤气体传感器光源波长稳定控制技术.仪表技术与传感器,2008(3

23、:4-5.5张记龙,闫晓梅.用于瓦斯检测的DF B 激光器驱动与温控系统研究:学位论文.太原:中北大学,2007.6武婧.吸收型光纤气体传感器气室设计概况.中国高新技术,2009,122(11:18-19.7朱平,刘光达,田磊,等.光纤瓦斯气体检测中锁相放大器的设计应用.仪表技术与传感器,2007(3:49-51.作者简介:马勇(1967,副教授,学士,硕士生导师,主要从事工程分析与计算方面的研究。E 2mail:fortunate_w(上接第12页大,即便存在误差也可达到预先设计目的,区分不同工作阶段,监测冲刷状态。该设计的光纤光栅冲刷传感器仅用2个光栅就可以识别出覆土层与栓杆的接触状态,且光栅的中心波长差别足够大,可以区分不同深度的冲刷状况,从验证了方案的可行性。实验制作的冲刷传感器鉴于实验方便设计的量程仅为012m,在实际应用中可根据具体的监测长度适当改变传感器的结构或增加数量,提高量程。 4结束语文中提出一种基于光纤光栅的冲刷监测方法,并以此设计了一种准分布式高空间分辨率的冲刷传感器,空间分辨率达011m,同时实验验证了传感器工作的可行性,为解决桥梁的桩基冲刷问题提供了一种方法,后续的研究工作将进行传感器的现场实验,根据现场工况改进传感器的结构,以期解决实际工程中的桥梁桩基冲刷问题。该监测方法具有实时监测、精度高、耐腐