一種基于光纖傳感的沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體而言是一種基于光纖傳感的沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的獨特優(yōu)點，尤其是水下連接和基礎(chǔ)處理的突破性進(jìn)展，沉管隧道越來越受到工程界的青睞。與礦山隧道相比，沉管隧道受力上有其獨特之處，除了要受上覆靜荷載和過車荷載作用外，沉管隧道還受到浪動荷載以及水中離子的侵蝕，且大部分沉管隧道都修建在軟土地區(qū)，對沉降和變形非常敏感?，F(xiàn)階段對沉降問題研宄的很多，對應(yīng)變研宄的較少。對沉降的控制只能反映管節(jié)豎向變形，不能完整反映管節(jié)內(nèi)外受力情況。應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特征參量，最能反映局部結(jié)構(gòu)特征、便于結(jié)構(gòu)安全評價和損傷定位。因此，沉管隧道運營期間管節(jié)段應(yīng)變監(jiān)測顯得尤為重要。
[0003]目前，大部分沉管隧道沉降變形監(jiān)測及健康診斷都由水準(zhǔn)儀完成，而少有對沉管隧道管片應(yīng)變的監(jiān)測。本實用新型正是基于這一現(xiàn)狀，提出了一套采用光纖傳感技術(shù)測試沉管隧道應(yīng)變的系統(tǒng)。其原理是使光纖光柵與管片監(jiān)測點產(chǎn)生同步應(yīng)變，由此使得光柵間距產(chǎn)生變化，同時由于光纖光柵的光彈效應(yīng)，光纖光柵的折射率發(fā)生改變，這會使得探測光的反射波長較入射波長發(fā)生變化，由此可測的監(jiān)測點處的應(yīng)變。本實用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，另外實用新型可同時對隧道多斷面多點位進(jìn)行監(jiān)測，是一個沉管隧道變形的網(wǎng)狀監(jiān)測系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型針對現(xiàn)有的沉管隧道應(yīng)變監(jiān)測上的不足，提供一種基于光纖傳感的沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)，對沉管隧道施工及后期運營過程產(chǎn)生變形提供高精度的實時監(jiān)測。
[0005]為達(dá)成上述目的，本實用新型提供了一種沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括光纖光柵傳感器組、光纖光柵解調(diào)儀和監(jiān)控主機(jī)，所述光纖光柵傳感器組與傳輸光纖連接，所述傳輸光纖另一端連接至光纖光柵解調(diào)儀，所述光纖光柵解調(diào)儀通過無線遠(yuǎn)端連接至監(jiān)控主機(jī)，每個光纖光柵傳感器組包括6個用于監(jiān)測沉管隧道斷面各監(jiān)測點應(yīng)變的光纖光柵應(yīng)變傳感器和I個用于溫度校正的光纖光柵溫度傳感器，所述光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝于斷面各監(jiān)測點處，沉管隧道每個斷面均安裝有一個光纖光柵溫度傳感器；所述光纖光柵解調(diào)儀通過發(fā)出探測光經(jīng)傳輸光纖入射至測試區(qū)所有的光纖光柵傳感器組中，由光纖光柵反射回的反射光又經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)，得到各傳感器反射光的波長信號；監(jiān)控主機(jī)通過無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到各監(jiān)測點的應(yīng)變。
[0006]進(jìn)一步，沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)同時對沉管隧道多個斷面進(jìn)行實時監(jiān)測，每個斷面均安裝有一組光纖光柵傳感器組，包括6個光纖光柵應(yīng)變傳感器和I個光纖光柵溫度傳感器，光纖光柵傳感器組與支路傳輸光纖相熔接，支路傳輸管匯集于干路總傳輸光纖，最后連接至光纖光柵解調(diào)儀，形成一套多斷面多點位的實時監(jiān)測系統(tǒng)。
[0007]進(jìn)一步，傳感器內(nèi)光纖光柵采用相位掩模板刻寫技術(shù)來制備。纖光柵應(yīng)變傳感器是由光纖光柵粘貼于敏感元件線槽內(nèi)再經(jīng)封裝制得；纖光柵溫度傳感器是將光纖光柵置于傳感器盒預(yù)留的小槽內(nèi)，再在小槽的兩端用固定膠將光纖光柵固定，待兩端固定后再往小槽內(nèi)填充不固化的導(dǎo)熱膏，加蓋封裝制得。
[0008]進(jìn)一步，各傳感器與支路傳輸光纖相熔接，支路傳輸管匯集于干路總傳輸光纖，最后連接至光纖光柵解調(diào)儀。
[0009]進(jìn)一步，光纖光柵解調(diào)儀包括:
[0010]I)鑰匙電源開關(guān):插入鑰匙后順時針旋轉(zhuǎn)30度電源接通，回位后電源斷開；
[0011]2)電源指示燈:系統(tǒng)工作時常亮；
[0012]3)系統(tǒng)故障指示燈:系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障時常亮；
[0013]4)網(wǎng)絡(luò)通信指示燈:以太網(wǎng)絡(luò)通訊是閃爍；
[0014]5)數(shù)據(jù)采集指示燈:系統(tǒng)通電自檢后常亮，表示可以采集數(shù)據(jù)；
[0015]6)通道指示燈:指示各通道當(dāng)前工作狀況；
[0016]7)八路外接光纖通道:接口類型為FC/APC，外接各種光柵傳感器；
[0017]8)以太網(wǎng)絡(luò)接口:與無線調(diào)制解調(diào)器相連，發(fā)射代碼轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號傳送至中央數(shù)據(jù)庫；
[0018]9)繼電器擴(kuò)展接口:控制外圍設(shè)備；
[0019]10)系統(tǒng)調(diào)試接口:用于對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試；
[0020]11)通訊串口:和別的設(shè)備通訊；
[0021]12) SM卡插口:通過SM卡將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射代碼
[0022]13)電源線插口:連接外接電源，給光纖光柵解調(diào)器供電。
[0023]進(jìn)一步，光纖光柵解調(diào)儀與監(jiān)控主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是以無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)媒介的，所述無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測站的客戶端無線調(diào)制解調(diào)器、解調(diào)儀內(nèi)客戶端傳輸程序、中央數(shù)據(jù)庫、用戶端無線調(diào)制解調(diào)器、監(jiān)控主機(jī)內(nèi)傳輸程序組成，每個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)都通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)庫，中央數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理和錄入，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效性，用戶端獲取權(quán)限后可對中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。
[0024]進(jìn)一步，所述的沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)的測試方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0025]I)測試元件制備:光纖光柵采用相位掩模法進(jìn)行制備，制備過程中，控制好相位掩模板的槽形深度和占寬比，即可有效的抑制衍射光譜的零級衍射光而同時增強其±1級衍射光的衍射效率，可有效提高光纖光柵的制作質(zhì)量；
[0026]2)測試儀器的安裝:選定沉管隧道監(jiān)測斷面若干，每一個監(jiān)測斷面布置有若干個監(jiān)測點，因此其構(gòu)成的是一套多斷面多點位的分布式網(wǎng)狀監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測多點位的應(yīng)變狀況，從而可推知隧道的整體形變狀況；
[0027]3)數(shù)據(jù)傳輸:監(jiān)測系統(tǒng)采用的是無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，監(jiān)測現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過無線調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線信號傳送至中央數(shù)據(jù)庫加以存儲，用戶端只要安裝服務(wù)器傳輸程序獲取訪問權(quán)限后即可通過無線調(diào)制解調(diào)器訪問相應(yīng)權(quán)限內(nèi)中央數(shù)據(jù)庫儲存的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，可以實現(xiàn)測試設(shè)備與監(jiān)控主機(jī)的分離，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。
[0028]4)數(shù)據(jù)處理:監(jiān)控主機(jī)獲取權(quán)限后對中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，可將原數(shù)據(jù)繪制成光譜圖，后經(jīng)高斯擬合將原本離散的數(shù)據(jù)擬合為若干單峰譜曲線疊加而成，由此可得到各光纖光柵傳感器組反射光的波長時程圖，經(jīng)換算后即可得到各監(jiān)測點的應(yīng)變時程曲線。
[0029]本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:本實用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗電磁干擾、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點；傳感器內(nèi)光纖光柵制作時，光纖掩模板采用適當(dāng)?shù)牟坌紊疃群驼紝挶?，可有效抑制零級衍射效率和增強?級的衍射效率，這使得制作出的光纖光柵具有高反射率、高邊模抑制比和窄帶寬等優(yōu)點，測量結(jié)果也更加準(zhǔn)確；監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點，大大方便了監(jiān)測工作的開展；監(jiān)測系統(tǒng)對隧道內(nèi)多點位多斷面進(jìn)行實時監(jiān)測，可持續(xù)量測從隧道施工到后期運營全階段過程中隧道的變形狀況，監(jiān)測結(jié)果可用于指導(dǎo)施工及后期的運營保養(yǎng)。
【附圖說明】
[0030]圖1為較優(yōu)實施例的沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2為傳感器橫斷面布置圖。
[0032]圖3為相位模板法制作光纖光柵示意圖。
[0033]圖4為光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖5為光纖光柵溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖。
[0035]圖6為光纖光柵解調(diào)儀前面板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖7為光纖光柵解調(diào)儀后面板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖8為無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。
[0039]據(jù)本實用新型較優(yōu)實施例，如圖1所示，沉管隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)包括:三個監(jiān)測斷面1、2、3，每個監(jiān)測斷面均有安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器，傳感器采用膨脹螺絲固定于沉管隧道管片上，每個傳感器均由支路光纖連接，各支路光纖最后匯集至一干路光纖，共三條干路光纖，干路光纖最后連接至光纖光柵解調(diào)儀4處，光纖光柵解調(diào)儀4與一無線調(diào)制解調(diào)器5相連，無線調(diào)制解調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)以無線信號的形式傳送至中央數(shù)據(jù)庫6，監(jiān)控主機(jī)8在獲取訪問權(quán)限后可通過另一無線調(diào)制解調(diào)器7訪問中央數(shù)據(jù)庫6內(nèi)相應(yīng)權(quán)限的數(shù)據(jù)，監(jiān)控主機(jī)將獲取的數(shù)據(jù)加以換算解析，即可