基本信息
- 项目名称：
- 光纤光栅结构挠度监测系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本创新小组设计研制了一种新型光纤光栅结构挠度传感器，并将其与连通管装置有效结合，开发出光纤光栅结构挠度监测系统。它基于连通管原理，通过安装在被测结构上的结构挠度传感器，拾取结构响应信号，对其进行处理分析，得到结构挠度的变化历程，从而对结构进行长期监测，进而对结构的健康状态作出科学评估。 与现有结构挠度测量工具相比，本系统长期稳定性好、灵敏度高，能实现远距离多点同步自动测量，不受天气环境影响，可与结构健康监测的其他子系统实现设备共享。 本系统精度达0.1mm，量程可根据不同要求进行选择，适用于各类桥梁荷载试验的挠度测量，特别是桥梁结构的长期健康监测；也适用于其它多类结构物的挠度监测。其经济、社会效益将十分显著。
- 详细介绍：
- 一、基本工作原理 以连通管装置及液位保持器形成的等高程水平面为基准，通过安装在结构上的光纤光栅结构挠度传感器，拾取结构的响应信号；将其处理与分析，得到结构挠度的变化历程，从而对结构进行长期监测，进而为结构健康状态的科学的评估提供依据。 二、系统组成 本系统有以下三部分组成：信号采集部分（结构挠度传感器、连通管装置与液位保持器）、信号传输与解调部分（光纤、光纤光栅解调装置）、信号输出部分（信号处理器、输出设备）。 系统主要组成部分作用如下： ①连通管装置及液位保持器形成一等高程水平面，以此构成结构挠度变化的基准； ②结构挠度传感器、光纤光栅解调装置、信号处理器用于拾取、解调及处理结构响应信号； ③通过处理分析结构响应信号，获得结构挠度变化历程，从而达到对结构进行长期监测的目的。 三、创新点 1.设计研制了一种新型光纤光栅结构挠度传感器（通过查新发现尚无同类结构挠度传感器），该传感器的内部结构设计保证了其稳定性； 2.将光纤光栅结构挠度传感器与连通管装置有效结合，形成了一种新的基于连通管原理的结构挠度监测系统； 3.系统采用模块化设计、标准接口，可与结构健康监测系统的其它子系统有效整合，实现设备共享。 四、主要技术指标 精 度：0.1mm 灵 敏 度：0.033mm/pm 量 程：根据实际需要选择 监测模式：多点测量 监测方式：自动测量、自动记录 五、作品科学性先进性 1.稳定性好 系统利用光纤光栅传感元件的本质数字特征，保证了信号的稳定传输；结构挠度传感器结构的合理设计，保证了传感器的稳定性；光纤光栅传感元件的合理分布形式，消除了环境温度对测量数据的影响。 2.精度高 本系统在保证长期稳定性的前提下，能达到较高的精度（0.1mm），足以满足结构物的工程测量需要。 3.远距离多点同步自动测量 通过同时设置多个结构挠度传感器，可实现对大型结构的多点同步监测。系统传输的是光信号，易于远距离传输。 4.不受天气环境影响 采用封闭结构和自动测量，避免了桥梁现场高尘高湿等环境的影响，且能在夜间精确监测。 5.设备共享 可与结构健康监测系统的其它子系统设备共享，节约监测系统的总成本。 对比现有挠度监测（量测）工具，本系统比传统测量工具省时省力，且有效弥补了它们无法实现长期监测的不足。同时系统较现有自动监测工具精度高，且光纤光栅传感器的应用，克服了其它监测系统易受电磁干扰的缺陷。总之，本系统很好地克服了其它测量方式的主要缺点，能够更稳定、更有效地监测结构挠度。 七、适应范围与推广前景 本系统不仅适用于各类桥梁荷载试验的挠度测量；也适用于其它多类结构物的挠度或高程监测，如隧道拱顶下沉、边坡滑动观测等。以桥梁为例，近年来桥梁等基础设施建设快速发展，至08年底，我国公路桥梁达59.46万座，其中特大桥梁1457座，大桥39381座，对它们进行健康监测意义重大。结构物挠度长期监测的实现，不仅能避免巨大的经济损失，更能通过提高大型结构的安全管理水平与效率、提供更有效的安全保障，带来显著的社会效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路： 随着科技进步和经济增长，桥梁等结构物建设步伐加快。然而桥梁施工缺陷、超规格使用等因素，屡屡导致坍塌事故。这给人民生命财产造成巨大损失，对桥梁等结构物进行健康监测刻不容缓；也引起我们对结构健康监测的关注。在我校光纤中心参观学习时，了解到光纤光栅传感器稳定性好、灵敏度高，广泛应用于结构健康监测领域。学习结构力学等课程后得知，挠度是评价结构物运行状况和安全性的重要依据。创新小组查阅大量结构健康监测方面的文献后发现：①现有挠度量测工具无法很好满足健康监测的需要②光纤光栅传感器尚未应用于挠度监测。由此，创新小组大胆提出将光纤光栅传感技术和连通管原理相结合的方案，并在大量试验的基础上，开发了光纤光栅结构挠度监测系统。 创新点： ①设计研制了一种新型光纤光栅结构挠度传感器，其内部结构的合理设计保证了其稳定性；②将光纤光栅结构挠度传感器与连通管装置有效结合，形成一种新的基于连通管原理的结构挠度监测系统；③系统采用模块化设计、标准接口，可与结构健康监测系统其它子系统有效整合，实现设备共享。 技术关键： ①选择光纤光栅传感元件合理的分布形式，消除了环境温度影响，保证传感器的长期稳定性；②合理设计结构挠度传感器中弹性敏感元件，保证系统精度和灵敏度；③采用与其它健康监测子系统共享的光纤光栅解调仪，实现结构响应信号的处理与分析。 主要技术指标： 精度：0.1mm；灵敏度：0.033mm/pm；量程：根据实际需要选择；监测模式：多点测量；监测方式：自动测量自动记录。
科学性、先进性
- 作品的科学性先进性： ①稳定性好。本系统利用了光纤光栅传感元件的本质数字特征，保证了信号稳定传输；结构挠度传感器结构的合理设计，避免了光纤光栅传感元件长期受力所产生的蠕变，保证了结构挠度传感器的稳定性；光纤光栅传感元件的合理分布形式，消除了环境温度对测量数据的影响。 ②精度高。在保证稳定性的基础上，具有较高的精度，满足结构物工程测量的需要。 ③远距离多点同步自动测量。设置多个结构挠度传感器，可对大型结构进行多点同步自动监测；系统传输光信号，便于远距离传输。 ④不受天气环境影响。采用封闭结构和自动测量，避免了高尘高湿等恶劣环境影响，且能夜间监测。 ⑤设备共享。可与健康监测系统其它子系统实现设备共享，节约总成本；采用光纤光栅传感技术使各子系统的集成成为可能。 参考文献（详见研制报告附件）： [1]鲍文忠,光纤光栅传感器在桥梁工程结构健康监测中的应用. [2]张启伟,大型桥梁健康监测概念与监测系统设计.
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2009年6月6日在“湖北省第七届‘挑战杯 青春在WO’大学生课外学术科技作品竞赛”中获得一等奖。 “湖北省第七届‘挑战杯 青春在WO’大学生课外学术科技作品竞赛”由共青团湖北省委、湖北省科学技术协会、湖北省教育厅、湖北省学生联合会共同举办。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 模型 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：系统由信号采集、信号传输与解调及信号输出三部分组成。工作流程为：①连通管装置及液位保持器形成等高程水平面，构成挠度变化基准；②结构受载后挠度发生变化，液位高程不变，挠度传感器内相对液位改变，引起响应信号变化；③对信号处理后可获得各测量点挠度变化值。 技术特点与优势：与现有量测工具相比，本系统最大优势是稳定性好，同时精度高，能远距离多点同步自动测量，不受天气环境影响；采用光纤光栅传感技术使结构健康监测各子系统的集成成为可能。 适应范围及市场分析：本系统不仅适用于各类桥梁荷载试验及长期健康监测的挠度测量；也适用于其它多类结构物的挠度或高程监测，如隧道拱顶下沉、边坡滑动观测等。以桥梁为例，近年来桥梁等基础设施建设快速发展，至08年底，我国公路桥梁达59.46万座，其中特大桥梁1457座，大桥39381座，可见市场潜力巨大。结构物挠度长期监测的实现，不仅能避免巨大的经济损失，更能通过提高大型结构的安全管理水平与效率，提供更有效的安全保障，带来显著的社会效益。
同类课题研究水平概述
- 结构健康状态在线监测技术是针对结构物运行和维护过程的一项新兴技术，它能够实时监测结构物运行过程中的状态参数，提供结构的实际状态数据，并能通过数据分析及时发现结构损伤，以便采取有效措施防止重大事故的发生。挠度是综合反映结构物强度、刚度和稳定性的重要参数，是评价结构物健康状况的重要依据之一。 桥梁挠度监测是结构物挠度监测的重要研究内容。目前，实际应用中的桥梁挠度监测方法及其原理主要如下： ①精密水准仪法：利用水准仪测量结构挠度变化； ②全站仪法：主要利用三角高程测量的原理计算结构挠度； ③百（千）分表法—利用高架法或悬丝法将百（千）分表安装在结构物下表面待测部位，百（千）分表上的读数即为结构挠度的变化值； ④激光光斑法：将准直激光器装于待测点上，利用光电接收器件探测激光光斑的中心位置，经专用电路进行处理后即可得到结构物的挠度； ⑤光电成像法：将发光靶标与数字摄像机分别安装在桥梁结构的被测点与固定点上，靶标的位置变化经图像处理后即可得到结构挠度的变化量； ⑥GPS法：将移动站和基准站分别安装在结构物的被测点和固定点上，通过差分技术得到结构挠度的变化量。 此外，还有传统连通管法及在其基础上改进的测量方法，其关键在于对液位的测量。连通管法抗干扰、精度高，但传统方法需人工读数，费时费力，无法进行长期监测。改进后，可自动测量长期监测。目前已有采用超声波、电感和光电等技术探测液位变化的方法运用于桥梁的健康监测。 超声波法测量精度较低（厘米级），但测量范围较大。 连通管式光电挠度自动监测系统，将连通管技术与光电检测技术相结合，已运用于大佛寺长江大桥主梁线形监测。该系统价格较贵，无法与其它健康监测子系统有效整合。 电感调频桥梁挠度自动监测系统，基于连通管原理，并采用电感调频液位传感器、RS-485通讯技术、光纤通讯技术，已应用于岳阳洞庭湖大桥。 光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、便于复用、多参量分布式测量等优点，光纤光栅传感技术已成为桥梁等大型结构物应变及温度等健康监测的重要技术手段。 注：参考文献及现有挠度测量工具的特点详见研制报告相关部分。
