基于光纖超聲波傳感器的橋梁沉降分布式監(jiān)測技術(shù)研究

針對橋梁沉降長期監(jiān)測難以及現(xiàn)有監(jiān)測手段局限性，項目開展了基于光纖超聲波傳感器的橋梁沉降長期在線監(jiān)測系統(tǒng)研究, 研究工作及進展如下: 1、研究了多模干涉光纖傳感器研究傳感機理，設(shè)計開發(fā)出多模干涉光纖傳感器并實現(xiàn)對25kHz以上高頻超聲波的探測。通過abqus有限元模擬結(jié)合試驗揭示了傳感器膜片與靈敏度之間響應(yīng)規(guī)律，通過優(yōu)化設(shè)計進一步提高了光纖傳感器對高頻超聲波的響應(yīng)靈敏度,其探測靈敏度提高3倍。 2、設(shè)計搭建了光纖超聲波非接觸式位移探測系統(tǒng),成功實現(xiàn)對7米范圍內(nèi)位移的超聲波探測. 在此基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了雙傳感器信號參考技術(shù)實現(xiàn)對位移的高精度探測,消除外界環(huán)境以及系統(tǒng)自身噪聲對傳感系統(tǒng)影響。 3、提出并采用連續(xù)波相位分析法實現(xiàn)光纖超聲波傳感器實現(xiàn)對位移非接觸式測量，位移分辨率達到0.2mm但其缺點是量程小。 4、提出并實現(xiàn)了基于雙傳感器脈沖探測法的位移傳感方案，用于克服連續(xù)波相位法量程有限的缺點，實現(xiàn)了對位移變化的大量程非接觸式探測，但位移測量精度較低，僅為2mm。 5、首次提出并研究了一種新型基于脈沖-相位探測法的高精度、大量程位移傳感方案，突破脈沖探測法精度低以及連續(xù)波相位探測法量程小的技術(shù)瓶頸，在實現(xiàn)大范圍位移測量的同時，保證其測量高精度的要求，其測量分辨率達0.3mm以上，位移探測量程可達7米以上。 6、深入研究了雙平衡微波鑒相技術(shù)并設(shè)計開發(fā)出了集成化硬件鑒相解調(diào)模塊，實現(xiàn)對動態(tài)位移所引起傳感器信號相位變化的實時探測與解析。 7、結(jié)合橋梁工后沉降特點，設(shè)計并實施了模擬橋梁沉降的測試試驗，所開發(fā)傳感系統(tǒng)沉降監(jiān)測試驗重復性達到0.4mm以上。 8、基于以上研究拓展提出并試驗實現(xiàn)了分布式光纖超聲波傳感對三維位移變化的測量 該課題實現(xiàn)并驗證了光纖超聲波傳感技術(shù)用于橋梁非接觸式沉降監(jiān)測的可行性，一方面為解決實際工程問題提供了新思路與研究基礎(chǔ)；另一方面通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與光纖傳感之間學科深度交叉與融合，促進了相關(guān)學科及前沿技術(shù)發(fā)展。 2100433B

針對目前橋梁緩變沉降的長期在線監(jiān)測這一技術(shù)難題及需求，研究新型基于光纖超聲波傳感技術(shù)的橋梁沉降分布式實時監(jiān)測技術(shù)，以滿足橋梁沉降監(jiān)測對長期性, 分布式, 抗干擾性及高分辨率的需求。根據(jù)此思路，首先提出并研究基于高靈敏度光纖超聲波的橋梁沉降傳感系統(tǒng)，實驗研究測試光纖超聲波傳感器的沉降響應(yīng)特性，針對性設(shè)計并改進光纖超聲波傳感系統(tǒng)，優(yōu)化光纖超聲波傳感器分辨率以及對高頻超聲波的響應(yīng)能力，研究解決光纖超聲波傳感器由于外界溫度與濕度變化所產(chǎn)生的交叉敏感問題，并研究其相應(yīng)補償技術(shù)，提高傳感器長期可靠性與穩(wěn)定性。其次通過有限元分析與試驗相結(jié)合建立相應(yīng)的橋梁沉降理論及實驗模型，研究建立針對分布式光纖超聲傳感技術(shù)的橋梁沉降特性分析與計算模型，并開發(fā)相應(yīng)的沉降傳感數(shù)據(jù)自動分析與處理系統(tǒng)。最后實驗建立并優(yōu)化分布式光纖傳感器布設(shè)方案，研究實現(xiàn)光纖超聲波傳感技術(shù)對橋梁沉降的分布式長距離高分辨率在線監(jiān)測。

分布式光纖感測技術(shù)為地質(zhì)災害預測預警與巖土工程安全監(jiān)測提供了一個新的監(jiān)測理念和技術(shù)手段。本專著是作者團隊二十年來在地質(zhì)與巖土工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)方面研究成果的總結(jié)，全書包括十章。在介紹了地質(zhì)與巖土工程監(jiān)測特點和分布式光纖感測技術(shù)的工作原理與技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地展現(xiàn)了研究團隊在分布式光纖感測技術(shù)性能、光纖傳感器與傳感光纜、地質(zhì)與巖土工程多場光纖監(jiān)測技術(shù)、分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)、光纖大變形監(jiān)測技術(shù)與現(xiàn)場布設(shè)、土工模型試驗光纖測試技術(shù)、巖土工程和地質(zhì)災害光纖監(jiān)測技術(shù)等八個方面的研究成果。書中還附有符號表、參考文獻、名詞術(shù)語和索引等。

空間分辨率：≤1.3mm；距離分辨率：≤0.65mm；采樣頻率：≥23.8HZ；傳感光纖測試距離：≥10m；最大應(yīng)變量程：≥±10000με；應(yīng)變測試精度：≤±1.0με；應(yīng)變測試重復性誤差：不高于±0.55% FS；傳感光纖類型：普通單模光纖；分析軟件可進行云圖顯示處理；詳細技術(shù)參數(shù)參照《分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測分析系統(tǒng)招標要求》。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測 大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測(管道, 近海石油平臺, 油井, 大壩, 堤壩, 橋梁, 建筑物, 隧道, 電纜) 滲漏探測 液體或天然氣管道, 工業(yè)處理, 大壩, 罐體. 交通運輸 路面的結(jié)冰探測, 鐵路監(jiān)測安全系統(tǒng) 火情或過熱溫度探測, 電力電纜監(jiān)視, 信號竊聽監(jiān)視, 垃圾處理站監(jiān)測, 山體滑坡監(jiān)測. 光纖通信 光纖光纜生產(chǎn)在線控制, 光纜維護, 工作光纜應(yīng)變監(jiān)測, 光纖摻雜物測量. 環(huán)境測量 熱, 通風和空氣條件(HVAC), 外界海洋，森林，野外場所的長。 2100433B