CN209027704U - 基于光纤传感技术的钢结构应力监测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其包括传感单元、第二接续盒、应力检测机柜；传感单元置于舰船钢结构上，且并联设置；每个传感单元的48芯光缆与第二接续盒连接；第二接续盒通过48芯主干光缆与应力检测机柜内的光纤配线架连接；传感单元包括串联的传感器组，传感器组包括依次连接的横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器；应力检测机柜内设有光纤配线架、解调仪、交换机、工控机、UPS电源；光纤配线架通过光纤跳线与解调仪连接，解调仪与交换机连接，所述交换机通过内部网线与工控机连接。本实用新型能对舰船钢结构进行监测，从而确保舰船钢结构处于正常状态。

Description

基于光纤传感技术的钢结构应力监测***

技术领域

本实用新型属于舰船钢结构健康监测领域，具体涉及一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***。

背景技术

基于光纤光栅传感技术的结构健康监测技术，是一种以光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪为核心设备的先进检测技术。结构健康监测技术最早起源于航空航天领域,如今已被广泛应用在轨道交通、公路、桥梁、隧道、油气管道等工程结构中，其中以桥梁结构监测、大坝安全综合监测应用最为广泛，如香港的青马大桥、上海的徐浦大桥、武汉长江二桥、江阴长江大桥、古田溪三级大坝、龙羊峡大坝等。但现有的光纤光栅传感技术却没有运用到舰船的钢结构监测上。

因舰船在使用中，容易发生碰撞等其他影响钢结构的行为。舰船钢结构的正常直接影响着舰船的正常运行，因此我们迫切需要一种能对舰船钢结构进行监测的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，用于对舰船钢结构进行监测，从而确保舰船钢结构处于正常状态。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其包括传感单元、第二接续盒、应力检测机柜，所述传感单元置于舰船钢结构上，且并联设置；每个传感单元的48芯光缆与第二接续盒连接；第二接续盒通过48芯主干光缆与应力检测机柜内的光纤配线架连接；

所述传感单元包括串联的传感器组，所述传感器组包括依次连接的横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器；

所述应力检测机柜内设有光纤配线架、解调仪、交换机、工控机、UPS电源；所述光纤配线架通过光纤跳线与解调仪连接，解调仪与交换机连接，所述交换机通过内部网线与工控机连接；所述UPS电源为解调仪、交换机、工控机供电。

按上述方案，每个传感单元还包括单芯光缆、单芯接续盒、4芯光缆、第一接续盒、48芯光缆；单芯光缆的一端与传感单元的最后一个传感器组连接，单芯光缆的另一端通过单芯接续盒与4芯光缆连接，4芯光缆通过第一接续盒与48芯光缆连接；以确保信号的传输。

按上述方案，所述横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器均包括2个不锈钢基片、光纤光栅敏感区，2个不锈钢基片对称设置，所述光纤光栅敏感区置于2个不锈钢基片之间；2个不锈钢基片分别与光纤连接，且所述不锈钢基片上设有点焊槽，通过点焊槽将横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器固定在舰船钢结构上。该结构不能能确保测量数据的准确性，还能确保结构的稳定性。

按上述方案，所述横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器均具有唯一一个中心波长，传感器工作时，中心波长只会在一个区间段漂移，不会产生相互干扰，以确保监测数据准确可靠。

按上述方案，所述应力检测机柜内还设有显示器；该显示器与工控机通过视频线连接；所述UPS电源为显示器供电；以便于监测。

按上述方案，所述应力检测机柜置于舱室内，便于操作和监测。

将横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器串联形成一个传感器组，每个传感器组对应一个测点；将多个传感器组串接组成传感单元，每个传感单元按照区域集中的原则通过一根单芯光纤连接形成一路通道，信号与信号之间按波段区分；将多个传感单元并联形成传感器网。

将传感器通过预组网后，整个***光纤信号分为三级进行接续，第一级单芯光缆通过单芯接续盒将信号接入4芯光缆；第二级4芯光缆通过第一接续盒将信号接入48芯光缆，不同区域的48芯光缆通过第二接续盒汇集成一根48芯主干光缆；第三级48芯主干光缆将信号接入应力监测机柜中的解调仪(光纤光栅解调仪)。

光纤光栅解调仪将宽带光源信号通过光缆传输至传感器模块(横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器)，特定波长的光波通过相应的传感器时将被反射回来，反射光波承载着测点处的应变、温度等信息，利用解调仪的光分路器和光电转换模块，将反射光信号转换为电信号，并计算出反射光当前的中心波长值，根据IP协议传至工控机，转化为数字信号，进行存储、显示、查询、分析和处理，当然也可单独设置显示器进行数据显示。

本实用新型的有益效果在于：

通过设置传感单元实时在线监测舰船钢结构应力水平，从而掌握钢结构的应力特征规律，确保钢结构长期安全运行，确保舰船航行安全；

通过设置传感单元、解调仪、工控机等能让技术和管理人员了解舰船钢结构工作状态、为其决策判断提供数据支撑，可提高舰船钢结构使用寿命。

通过设置光纤传感器，能获取稳定可靠的监测数据，实现全寿命、长周期监测，从而降低监测成本；

结构简单、便于实现。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器的结构示意图；

图2是传感单元的结构示意图；

图3是光缆连接示意图；

图4是应力监测机柜内的结构示意图；

其中，1、横向光纤光栅应变传感器；2、纵向光纤光栅应变传感器；3、光纤光栅温度补偿传感器；4、单芯光缆；5、4芯光缆；6、48芯光缆；7、应力监测机柜；8、显示器；9、交换机；10、解调仪；11、工控机；12、UPS电源；13、光纤配线架；14、视频线；15、内部网线；16、外部网线；17、光纤跳线；18、内部电源线；19、外接电源线；20、单芯接续盒；21、第一接续盒；22、第二接续盒；23、48芯主干光缆；24、舱室；25、不锈钢基片；26、光纤光栅敏感区；27、光纤；28、点焊槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1-图4，一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其包括传感单元、第二接续盒、应力检测机柜。

传感单元置于舰船钢结构上，且并联设置；每个传感单元的48芯光缆6与第二接续盒22连接；第二接续盒22通过48芯主干光缆23与应力检测机柜7内的光纤配线架13连接。传感单元包括串联的传感器组，每个传感器组包括依次连接的横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器3。在较佳实施例中，为了使传感器与舰船钢结构连接更加牢固，使监测更加准确，横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器3均包括2个不锈钢基片25、光纤光栅敏感区26，2个不锈钢基片25对称设置，光纤光栅敏感区26置于2个不锈钢基片25之间；2个不锈钢基片25分别与光纤27连接，不锈钢基片25上设有2个点焊槽28，通过点焊槽28将横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器3固定在舰船钢结构上；横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器2均具有唯一一个中心波长，传感器工作时，中心波长只会在一个区间段漂移，不会产生相互干扰，从而保证监测数据的准确性。

应力检测机柜7置于舱室24内，其内设有光纤配线架13、解调仪10、交换机9、工控机11、显示器8、UPS电源12。光纤配线架13通过光纤跳线17与解调仪10连接，可根据传感单元数量，增加多个解调仪；解调仪10与交换机9连接，交换机9通过内部网线15与工控机11连接，工控机11通过视频线14与显示器8连接，工控机11与外部网线16连接；UPS电源12通过内部电源线18为解调仪10、交换机9、工控机11、显示器8供电；UPS电源12通过外接电源线19与外部电源连接。

为了信号传输的稳定性，每个传感单元还包括单芯光缆4、单芯接续盒20、4芯光缆5、第一接续盒21、48芯光缆6；单芯光缆4的一端与传感单元的最后一个传感器组的光纤27连接，单芯光缆4的另一端通过单芯接续盒20与4芯光缆5连接，4芯光缆5通过第一接续盒21与48芯光缆6连接。

将横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器3串联形成一个传感器组，每个传感器组对应一个测点；将多个传感器组串接组成传感单元，每个传感单元按照区域集中的原则通过一根单芯光纤连接形成一路通道，信号与信号之间按波段区分；将多个传感单元并联形成传感器网。

将传感器预组网后，整个***光纤信号分为三级进行接续，第一级单芯光缆4通过单芯接续盒20将信号接入4芯光缆5；第二级4芯光缆5通过第一接续盒21将信号接入48芯光缆6，不同区域的48芯光缆6通过第二接续盒22汇集成一根48芯主干光缆23；第三级48芯主干光缆23将信号接入应力监测机柜7中的解调仪10(光纤光栅解调仪)。

解调仪10将宽带光源信号通过光缆传输至传感器模块(横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2、光纤光栅温度补偿传感器3)，特定波长的光波通过相应的传感器时将被反射回来，反射光波承载着测点处的应变、温度等信息，利用解调仪10的光分路器和光电转换模块，将反射光信号转换为电信号，并计算出反射光当前的中心波长值，再根据IP协议传至工控机11，转化为数字信号；工控机11对数据进行存储、显示、查询、分析和处理，并将数据传给显示器8进行数据显示。

具体实例为：

(1)根据解调仪通道的处理能力，每个通道分配4个测点，即12个传感器进行组网；将每个测点处的横向光纤光栅应变传感器1、纵向光纤光栅应变传感器2和光纤光栅温度补偿传感器3用单芯光缆4进行串接；

(2)在每个测点处，将点焊机调节到合适的电流，在传感器点焊槽处点焊，将不锈钢基片25与钢结构焊接；

(3)每个通道传感器由单芯光缆4引出，单芯光缆4通过单芯接续盒20将信号接入4芯光缆5；4芯光缆5通过第一接续盒21将信号接入48芯光缆6，不同区域的48芯光缆6通过第二接续盒22汇集成一根48芯主干光缆23；48芯主干光缆23将信号接入应力监测机柜7中的解调仪10；

(4)应力监测机柜7内设备的供电统一由UPS电源12提供，市电通过外部电源线19接入UPS电源12后，通过内部电源线18，输出到每个设备；机柜内解调仪10与工控机11的通讯通过交换机9完成，利用内部网线15，解调仪10、交换机9、工控机11实现互联；利用外部网线16，实现工控机数据外部传输；

(5)48芯主干光缆23接入光纤配线架13后，通过光纤跳线17接入解调仪10，每根光纤跳线17分别对应解调仪10一个通道。解调仪10将宽带光源信号通过光缆传输至传感器模块，特定波长的光波通过相应的传感器时将被反射回来，反射光波承载着测点处的应变、温度等信息，利用解调仪10的光分路器和光电转换模块，将反射光信号转换为电信号，通过解调仪10的信号处理模块计算出反射光当前的中心波长值，根据IP协议传至工控机11的数据处理模块，转化为数字信号；工控机11进行存储、查询、分析和处理，通过视频线14在显示器8中进行显示。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：包括传感单元、第二接续盒、应力检测机柜，所述传感单元置于舰船钢结构上，且并联设置；每个传感单元的48芯光缆与第二接续盒连接；第二接续盒通过48芯主干光缆与应力检测机柜内的光纤配线架连接；

所述传感单元包括串联的传感器组，所述传感器组包括依次连接的横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器；

所述应力检测机柜内设有光纤配线架、解调仪、交换机、工控机、UPS电源；所述光纤配线架通过光纤跳线与解调仪连接，解调仪与交换机连接，所述交换机通过内部网线与工控机连接；所述UPS电源为解调仪、交换机、工控机供电。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：每个传感单元还包括单芯光缆、单芯接续盒、4芯光缆、第一接续盒、48芯光缆；单芯光缆的一端与传感单元的最后一个传感器组连接，单芯光缆的另一端通过单芯接续盒与4芯光缆连接，4芯光缆通过第一接续盒与48芯光缆连接。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：所述横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器均包括2个不锈钢基片、光纤光栅敏感区，2个不锈钢基片对称设置，所述光纤光栅敏感区置于2个不锈钢基片之间；2个不锈钢基片分别与光纤连接，且所述不锈钢基片上设有点焊槽，通过点焊槽将横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器固定在舰船钢结构上。

4.根据权利要求1或3所述的基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：所述横向光纤光栅应变传感器、纵向光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器均具有唯一一个中心波长。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：所述应力检测机柜置于舱室内。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的钢结构应力监测***，其特征在于：所述应力检测机柜内还设有显示器；该显示器与工控机通过视频线连接；所述UPS电源为显示器供电。