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光纤光栅在线结构健康安全监测系统

工程概况

桥梁建成以后,由于受气候、环境因素的影响,结构材料会被腐蚀和逐渐老化,长期的静、动力荷载作用,使其强度和刚度随着时间的增加和降低。这不仅会影响行车安全,更会使桥梁的使用寿命缩短。对桥梁结构的健康状况进行检测与监测,并在此基础上对其安全性能进行评估是桥梁运营日常管理的重要内容。桥梁健康监测具有十分重要的作用。

参考规范

4.2.1《公路工程技术标准》JTG B01-2003

4.2.2《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004

4.2.3《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004

4.2.4《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ 025-86

4.2.5《公路工程抗震设计规范》JTJ 004-89

4.2.6《公路桥涵施工技术规范》JTJ 041-2000

4.2.7《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/2-2004

4.2.8《工程振动测量仪器和测试技术标准》中国计量出版社,1999

4.2.9《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168-2006

4.2.10《电子设备雷击保护导则》GB/T 7450-1987

4.2.11《民用闭路电视系统工程技术规范》GB 50198-94

4.2.12《建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范》GB/T50311-2000

4.2.13《建筑电气安装工程质量检验评定标准》GBJ 303-88

4.2.14《光缆线路对地绝缘指标及测试方法》YD5012-2003

4.2.15《光缆通信工程无人值守电源设备安装设计暂行规定》YD5046-97

4.2.16《电信网光纤数字传输系统工程及验收暂行技术规定》YDJ44-89

4.2.17《光纤传输衰减变化的监测方法 传输功率监测法》YD/T 629.1-93

4.2.18《光纤传输衰减变化的检测方法 后向散射监测法》YD/T 629.2-93

4.2.19《光纤配线架技术要求及试验方法》YD/T 778-95

4.2.20《大芯径大数值孔径多模光纤光缆》YD/T 816-2003

4.2.21《光缆拉伸-应变性能测试方法》YD/T 825-1996

4.2.22《光纤固定衰减器技术条件》YD/T 894-1997


施工方案

方案

湖南磐固光纤光栅在线结构健康安全监测系统结合设计理论、施工检测、质量监督、养护管理的要求,科学的全面覆盖隧道的关键结构部位的监测,系统主要包括三大部分,即:现场无电监测区、隧道监控室以及远程监控中心,该系统可以完全取代传统监测方式中的现场采集和远程传输部分。

原理

我司所开发的光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感技术是上世纪末期开始发展并得到国内外广泛应用的一种世界上最先进的光纤数码传感技术。其实现原理是:直接在石英单模光纤上制作多个光栅,封装保护后形成光纤传感链,可高精度地同时测量温度、应变、压力、位移等多种物理量。由于光纤传感链中传感器和传输线是合一的,均为石英单模光纤,唯一的区别在于传感器是石英单模光纤中经过加工、处理、封装、保护的局部一段长度(一般为10mm左右)。所以,光纤光栅传感技术最主要的优点就在于现场不供电,免受雷击损坏和电磁干扰;此外,由于光纤光栅温度在线监测仪采用并行光谱探测技术,系统中所有感温探头的单次同步扫描时间小于一秒钟,加之感温探头的快速导热封装,使得开关柜及电缆接头温度监测系统能够在事故隐患产生时提前预警,有效避免事故的发生。系统提供移动端报警机制,不仅值班室会及时响应,同时将报警讯息以短信形式发送至相关管理人员手机移动端。

特点

光纤光栅传感器具有其独特的优点:

(1)传感器体积小、重量轻、外形可变,适合埋入大型结构中,可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等,稳定性好,可重复使用;

(2)与光纤之间存在天然的兼容性,易与光纤连接,光谱特性好,低损耗、可靠 性高;

(3)具有绝缘性,不影响待测结构,同时具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点,适合 在恶劣环境中工作;

(4)一根光纤可以串联多个光纤光栅传感器,由其构成传感阵列,与波分复用和时分复用系统相结合,实现分布式测量;

(5)传感器灵敏度高、分辨率大。

实时监控系统的特点:

(1)自动对光纤光栅应变传感器所在隧道区域进行实时应变监控,检测隧道现场应变的异常波动,在事故发生前及时报警。

(2)各个监测点的应变值和报警信息都保存到大容量储存器中,系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息; 管理操作人员可以远程动态调整被监测点的实时状态监测时间间隔满足实际要求;管理操作人员可在局域网上查看各监测点的历史应变值变化曲线,为决策和维护提供数据支持。

(3)可对隧道应变的异常报警触发条件进行设定,以适用不同季节气温条件下实际运行的差异

(4)分析仪报警接口输出开关量可直接接入仪表操作室现有的灯光、广播、其它系统联动,实现报警并在值班室显示,也可通过手机短信发送信息至相关人员手机。

(5)具有自检功能,可对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位,方便系统调试、维护及线路检修。


安装流程

安装流程图

(1)现场无点监测区

现场是由多个光纤光栅应变传感、光纤光栅自温补应变传感器基于传输光缆组成,应变、温度的物理量转换成光信号有光纤传输给分析仪,进而实现光信号自动采集。

(2)隧道监控室

在隧道监控室放置光纤光栅传感分析仪和无线GPRS通讯传输设备,分析仪把监测现场传感器传输过来的光信号解调成应变、温度的数字信号,通过隧道附近的基站,利用无线GPRS通讯设备将数据传出传输到远程监控中心的信息管理系统。

(3)远程监控中心信息管理系统

监测中心信息管理系统主要包括监测数据的显示与分析、隧道安全评估分析显示、监控报警、日常安全检查记录、数据库等几个子系统。

其中监测数据的显示与分析、系统的报警、隧道安全评估分析显示、日常安全检查记录、数据库等是隧道光纤光栅在线结构健康监测系统的核心,运行在实时监控工作站上。系统结构图如下:

光纤光棚在线结构健康监测系统示意图


实例

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