基於光纖超音波感測器的橋樑沉降分散式監測技術研究

《基於光纖超音波感測器的橋樑沉降分散式監測技術研究》是依託東南大學，由孫安擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於光纖超音波感測器的橋樑沉降分散式監測技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫安
• 依託單位：東南大學

中文摘要

針對目前橋樑緩變沉降的長期線上監測這一技術難題及需求，研究新型基於光纖超音波感測技術的橋樑沉降分散式實時監測技術，以滿足橋樑沉降監測對長期性, 分散式, 抗干擾性及高解析度的需求。根據此思路，首先提出並研究基於高靈敏度光纖超音波的橋樑沉降感測系統，實驗研究測試光纖超音波感測器的沉降回響特性，針對性設計並改進光纖超音波感測系統，最佳化光纖超音波感測器解析度以及對高頻超音波的回響能力，研究解決光纖超音波感測器由於外界溫度與濕度變化所產生的交叉敏感問題，並研究其相應補償技術，提高感測器長期可靠性與穩定性。其次通過有限元分析與試驗相結合建立相應的橋樑沉降理論及實驗模型，研究建立針對分散式光纖超聲感測技術的橋樑沉降特性分析與計算模型，並開發相應的沉降感測數據自動分析與處理系統。最後實驗建立並最佳化分散式光纖感測器布設方案，研究實現光纖超音波感測技術對橋樑沉降的分散式長距離高解析度線上監測。

結題摘要

針對橋樑沉降長期監測難以及現有監測手段局限性，項目開展了基於光纖超音波感測器的橋樑沉降長期線上監測系統研究, 研究工作及進展如下: 1、研究了多模干涉光纖感測器研究感測機理，設計開發出多模干涉光纖感測器並實現對25kHz以上高頻超音波的探測。通過abqus有限元模擬結合試驗揭示了感測器膜片與靈敏度之間回響規律，通過最佳化設計進一步提高了光纖感測器對高頻超音波的回響靈敏度,其探測靈敏度提高3倍。 2、設計搭建了光纖超音波非接觸式位移探測系統,成功實現對7米範圍內位移的超音波探測. 在此基礎上提出並實現了雙感測器信號參考技術實現對位移的高精度探測,消除外界環境以及系統自身噪聲對感測系統影響。 3、提出並採用連續波相位分析法實現光纖超音波感測器實現對位移非接觸式測量，位移解析度達到0.2mm但其缺點是量程小。 4、提出並實現了基於雙感測器脈衝探測法的位移感測方案，用於克服連續波相位法量程有限的缺點，實現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、首次提出並研究了一種新型基於脈衝-相位探測法的高精度、大量程位移感測方案，突破脈衝探測法精度低以及連續波相位探測法量程小的技術瓶頸，在實現大範圍位移測量的同時，保證其測量高精度的要求，其測量解析度達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並設計開發出了集成化硬體鑒相解調模組，實現對動態位移所引起感測器信號相位變化的實時探測與解析。 7、結合橋樑工後沉降特點，設計並實施了模擬橋樑沉降的測試試驗，所開發感測系統沉降監測試驗重複性達到0.4mm以上。 8、基於以上研究拓展提出並試驗實現了分散式光纖超音波感測對三維位移變化的測量 該課題實現並驗證了光纖超音波感測技術用於橋樑非接觸式沉降監測的可行性，一方面為解決實際工程問題提供了新思路與研究基礎；另一方面通過結構健康監測與光纖感測之間學科深度交叉與融合，促進了相關學科及前沿技術發展。