CN108931262A - 一种用于监测建筑结构安全的光纤传感*** - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于监测建筑结构安全的光纤传感***，所述***包括光源、光隔离器、光纤环形器、多个光纤传感器、温度传感器、解调仪和信号处理器。光源将光信号经过光隔离器和光纤环形器后通过光纤发送给光纤传感器，光纤传感器将符合预定波长的光信号进行反射形成反射光反向传输至解调仪，解调仪将所述反射光进行解调转换为应变量，并传送给信号处理器进行存储和后续数据分析。本公开的光纤传感***结构简单、抗干扰能力强，可以对建筑结构进行长期监测和实时预警，进而减少安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种用于监测建筑结构安全的光纤传感***。
背景技术
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。光纤是一种优良的低损耗传输线，光纤具有抗电磁干扰，抗辐射、耐腐蚀、测量范围宽等优点，适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。光纤传感技术包括调制技术与解调技术，即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)。光纤传感技术利用光纤材料的光敏特性改变或控制光在该区域的传播行为方式，在应变的作用下，光纤光栅的纤芯有效折射率和周期发生变化，从而使反射光谱的中心波长发生移动，通过解调换算实现对温度或应变量的测量。光纤测量手段无需现场通电，本征安全，不受电磁干扰，能够在高湿、高压等恶劣环境下连续工作，比较适合进行远程和长期测量。
目前，建筑结构的安全监测方面，通常采用常规的电子传感器进行监测。虽然电子传感器具有精度高，响应速度快等优点，但是电子传感器进行监测时，对传输电缆的要求较高、数目较大，所以在长期实时监测方面具有很大的局限性，且不适用于强电磁干扰、高压、潮湿、腐蚀等恶劣环境。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种用于监测建筑结构安全的光纤传感***，可以对建筑结构进行长期监测和实时预警，进而减少建筑结构的安全隐患。
本公开提供一种监测建筑结构安全的光纤传感***，包括：
光源，用于发射光信号；
光隔离器，与光源连接；
光纤环形器，所述光纤环形器的第一端与光隔离器连接，用于将所述光信号耦合到光纤中；
多个光纤传感器，通过光纤进行串联，所述光纤的一端与所述光纤环形器的第二端连接，用于接收所述光信号并反向传输反射光；
温度传感器，与所述多个光纤传感器并联，用于测量监测点的环境温度值；
解调仪，通过光纤与所述光纤环形器的第三端连接，用于接收所述反射光和环境温度值，并将所述反射光转换为应变量；
信号处理器，与所述解调仪连接，被配置为接收所述应变量并根据接收的不同光纤传感器的应变量生成相应的应变趋势图；
其中，所述解调仪被配置为根据如下公式将所述反射光转换为应变量：
其中，ΔλB为反射光的波长漂移量；λB为反射光的波长；Pe为有效弹光常数；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤光栅的热光系数；ΔT为温度变化量；ε为应变量。
优选地，所述解调仪包括光学信号处理单元、光电信号检测单元和信号解调单元。
优选地，所述信号处理器还被配置为当所述应变量超过应变阈值时，发送倒塌报警信号。
优选地，所述信号处理器还被配置为当所述环境温度值超过温度阈值时，发送火灾报警信号。
优选地，所述光纤传感器包括：
壳体；
弹性膜片，所述弹性膜片固定在所述壳体内；
光栅，与所述弹性膜片固定连接，用于将满足预定波长的光信号进行反射。
优选地，所述弹性膜片的厚度为0.05mm-0.2mm。
优选地，所述弹性膜片的材料为弹性金属。
优选地，所述信号处理器被配置为根据不同光纤传感器的反射光的传输时间获取不同光纤传感器的位置。
优选地，所述光源为窄线宽激光器。
优选地，多个光纤传感器包括：
光纤光栅传感器，布设在建筑结构的裂缝区域和/或建筑结构的表面；
光纤光栅加速度计，布设于倾斜建筑结构的表面。
本公开提供一种用于监测建筑结构安全的光纤传感***，所述***包括光源、光隔离器、光纤环形器、多个光纤传感器、温度传感器、解调仪和信号处理器。通过光源将光信号经过光隔离器和光纤环形器后通过光纤发送给光纤传感器，光纤传感器将符合预定波长的光信号进行反射形成反射光反向传输至解调仪，解调仪将所述反射光进行解调转换为应变量，并传送给信号处理器进行存储和后续数据分析。本公开的光纤传感***结构简单、抗干扰能力强，可以对建筑结构进行长期监测和实时预警，进而减少安全隐患。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的光纤传感***的结构示意图；
图2是本发明实施例的光信号在光纤环形器中的传输方向示意图；
图3是本发明实施例的光纤传感器在建筑结构上的布设示意图；
图4是本发明实施例的光纤光栅加速度计的结构示意图；
图5是本发明实施例的反射光的波长漂移示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例的光纤传感***的结构示意图。如图1所示，光纤传感***包括光源1、光隔离器2、光纤环形器3、光纤传感器4、温度传感器5、解调仪6以及信号处理器7。光源1连接光隔离器2，光隔离器2连接光纤环形器3的第一端D1，光纤环形器3的第二端D2连接光纤传感器4，光纤环形器3的第三端D3连接解调仪6，解调仪6与信号处理器7连接。其中，多个光纤传感器4串联。光源1用于产生光信号，通过光隔离器2、光纤环形器3传输至多个光纤传感器4内，多个光纤传感器4根据所在位置应变将光信号产生的反射光反向传输，然后通过光纤环形器3传输至解调仪6，进行解调，将反射光解调为应变量，然后将应变量发送给信号处理器7中进行存储和分析。
光源1用于产生连续的光信号。光源1可以为相干光源和非相干光源。非相干光源包括白帜光源和发光二极管；相干光源包括各种激光器、氦氖气体激光路、固体激光器等。在本实施例中的光源1为窄线宽激光器，具有线宽超窄、频率可调、相干长度超长以及噪声低等优点，可以为本实施例的光纤传感器4提供质量较好的光信号。
光隔离器2为只允许单向光通过的无源光器件，即光隔离器2允许光信号向一个方向通过而阻止向相反方向通过，可以对光信号的传输方向进行限制，使光信号只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器2很好的隔离，由此提高光信号的传输效率。
光纤环形器3是一个多端口器件，其中光信号的传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的。例如图2所示，从光纤环形器3的第一端D1进入的光信号仅传输至第二端D2，进入第二端D2的光信号仅传输至第三端D3中。如此，仅以固定的方向进行传输，且不会逆向传输的方式。在本实施例中，光纤环形器3的第一端D1用于接收光源1发射的光信号，第二端D2用于将所述光信号通过光纤发送至光纤传感器4以及接收光纤传感器4反向传输的反射光，第三端D3用于将反射光输出。
多个光纤传感器4通过光纤8进行串联，光纤8的一端与光纤环形器3的第二端D2连接。光纤传感器4包括光纤光栅传感器和光纤光栅加速度计。光纤传感器4包括壳体41、弹性膜片42和光栅43。光纤传感器4通过壳体41以粘贴、焊接、封装等方式固定于建筑结构上。其中，弹性膜片42固定在所述壳体41内，光栅43与弹性膜片42固定连接，如图4所示。所述弹性膜片42的材料可以为弹性金属。例如殷钢、铍青铜等。所述弹性膜片的厚度为0.05mm-0.2mm。
光栅43是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。当光通过光栅时，部分光通过光滑部分进行透射，部分光通过刻痕反射。当弹性膜片42受到外力时，带动光栅43发生相应的形变，光栅的折射率变化周期Λ也会相应的发生变化，反射光的波长发生漂移。根据公式(1)：
λB＝2neffΛ (1)
其中，λB为反射光的波长，neff为纤芯的有效折射率，Λ光栅的折射率变化周期。由公式(1)可知，反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯的有效折射率neff成正比关系。
光纤光栅传感器的两端可以布设在建筑结构的裂缝区域的两侧，如图3所示；当裂缝继续增大时，光纤光栅传感器的两端受到拉伸的力，光栅反射的反射光的波长产生漂移，进而可以计算获得裂缝区域的应变和应力值。同时，光纤光栅传感器还可以布设于建筑结构的表面，如图3所示；当建筑结构发生形变时，反射光的波长发生漂移，进而可以计算获得应变量和受力情况。光纤光栅加速度计可以布设于建筑结构的表面以实现建筑结构倾斜度监测，如图3所示。在光纤光栅加速度计中，弹性模片42可以替换为质量块。所述壳体41内还设置有悬臂梁44，质量块固定于悬臂梁的下端，光栅43粘贴于悬臂梁44靠近固定端的上侧，如图4所示。若建筑结构继续倾斜，光纤光栅加速度计中的质量块所受的惯性力的大小为F＝ma。由于惯性力的作用，悬梁壁将发生弯曲，带动光栅43伸长或压缩，反射光的波长产生漂移。由此，通过检测反射光的波长的漂移量大小，即可获得加速度。然后根据加速度的变化推算出建筑倾斜度的变化。
在本实施例中，还设置有温度传感器5，用于补偿采集反射光时的环境温度，由此可以消除环境温度变化对应变的影响，准确监测到光纤传感器4所在位置的受力与变形情况。在本实施例中，温度传感器5与多个串联的光纤传感器4并联。温度传感器5可以采用普通的电子式温度传感器，布设于光纤传感器4的附近，用于实时监测光纤传感器4附近的环境温度。在另一实现方式中，温度传感器5可以采用光纤光栅温度传感器，与多个光纤传感器4串联，设置于多个串联的光纤传感器4的末端。本实施例中的光纤传感器4还可以预埋入建筑结构中，用于监测建筑结构的安全。
解调仪6通过光纤与光纤环形器3的第三端D3连接，用于接收所述光纤传感器4传输的反射光和温度传感器测量的环境温度值，并将所述反射光转换为应变量。解调仪6可以设置于室内进行监测。解调仪6包括光学信号处理单元61、光电信号检测单元62和信号解调单元63。光电信号检测单元62用于接收反射光，并将反射光进行滤波、放大等处理，然后将检测过的反射光发送至光学信号处理单元61。光学信号处理单元61用于将处理后的反射光生成相应的光谱，然后与初始在不受到任何外力和环境温度的影响下测得的反射光的光谱进行比较，获取波长的漂移量。信号解调单元63根据测量获取波长漂移量计算获取应变量。
具体地，光信号经过光栅时，被光栅反射回一单色光，反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯的有效折射率neff有关。若光栅受应变和周围的温度发生变化时，则光栅的折射率变化周期Λ和有效折射率neff将发生变化，导致光栅反射光的波长发生漂移，反射光的波长漂移示意图，如图5所示。通过监测反射光的波长λB的变化情况，即可获得测点处光栅的应变及温度的变化。波长漂移量ΔλB与应变和温度的关系如下：
其中，ΔλB为反射光的波长漂移量；λB为反射光的波长；Pe为有效弹光常数；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤光栅的热光系数；ΔT为温度变化量；ε为应变量。
然后根据应力应变之间的关系，计算获取所受外力。应力应变之间的关系如公式(3)所示：
F＝A×E×ε (3)
其中，F为受力大小，A为光纤传感器的受力面积，E为弹性膜片的弹性模量，ε为应变量。然后，解调仪6将所解调出来的应变量ε、应力F以及测得的环境温度值发送给信号处理器7。
信号处理器7接收所述应变量ε、应力F以及测得的环境温度值。由于所串联的多个光纤传感器4的间隔距离不同，因此每个光纤传感器4接收到光信号进行反射时的时间不同，因此解调仪6接收到反射光的时间不同。信号处理器7可以根据不同光纤传感器4的反射光的传输时间获取到具体的光纤传感器7的位置。
信号处理器7被配置为接收所述应变量ε并根据接收的不同光纤传感器的应变量生成相应的应变趋势图，以便于可以对监测点的形变进行评估和分析。所述光纤传感***还包括报警装置9，与所述信号处理器7连接。所述信号处理器内预先存储有应变阈值和温度阈值，当接收到的应变量超过应变阈值时，向所述报警装置9发送倒塌报警信号，以提示相关人员进行安全处理；当接收到的环境温度值超过温度阈值时，向所述报警装置9发送火灾报警信号，以提示相关人员进行灭火处理，以防止造成人员或财产的损失。
本公开提供的光纤传感***包括光源、光隔离器、光纤环形器、多个光纤传感器、温度传感器、解调仪和信号处理器。通过光源将光信号经过光隔离器和光纤环形器后通过光纤发送给光纤传感器，光纤传感器将符合预定波长的光信号进行反射形成反射光反向传输至解调仪，解调仪将所述反射光进行解调转换为应变量，并传送给信号处理器进行存储和后续数据分析。本公开的光纤传感***结构简单、抗干扰能力强，可以对建筑结构进行长期监测和实时预警，进而减少安全隐患。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于监测建筑结构安全的光纤传感***，包括：
光源，用于发射光信号；
光隔离器，与光源连接；
光纤环形器，所述光纤环形器的第一端与光隔离器连接，用于将所述光信号耦合到光纤中；
多个光纤传感器，通过光纤进行串联，所述光纤的一端与所述光纤环形器的第二端连接，用于接收所述光信号并反向传输反射光；
温度传感器，与所述多个光纤传感器并联，用于测量监测点的环境温度值；
解调仪，通过光纤与所述光纤环形器的第三端连接，用于接收所述反射光和环境温度值，并将所述反射光转换为应变量；
信号处理器，与所述解调仪连接，被配置为接收所述应变量并根据接收的不同光纤传感器的应变量生成相应的应变趋势图；
其中，所述解调仪被配置为根据如下公式将所述反射光转换为应变量：
其中，ΔλB为反射光的波长漂移量；λB为反射光的波长；Pe为有效弹光常数；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤光栅的热光系数；ΔT为温度变化量；ε为应变量。
2.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述解调仪包括光学信号处理单元、光电信号检测单元和信号解调单元。
3.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述信号处理器还被配置为当所述应变量超过应变阈值时，发送倒塌报警信号。
4.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述信号处理器还被配置为当所述环境温度值超过温度阈值时，发送火灾报警信号。
5.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述光纤传感器包括：
壳体；
弹性膜片，所述弹性膜片固定在所述壳体内；
光栅，与所述弹性膜片固定连接，用于将满足预定波长的光信号进行反射。
6.根据权利要求5所述的光纤传感***，其特征在于，所述弹性膜片的厚度为0.05mm-0.2mm。
7.根据权利要求5所述的光纤传感***，其特征在于，所述弹性膜片的材料为弹性金属。
8.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述信号处理器被配置为根据不同光纤传感器的反射光的传输时间获取不同光纤传感器的位置。
9.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，所述光源为窄线宽激光器。
10.根据权利要求1所述的光纤传感***，其特征在于，多个光纤传感器包括：
光纤光栅传感器，布设在建筑结构的裂缝区域和/或建筑结构的表面；
光纤光栅加速度计，布设于倾斜建筑结构的表面。
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