应变监测范文（精选9篇）
应变监测 第1篇
随着我国铁路提速战略的实施及高速铁路的蓬勃发展, 轨道安全成为人们关心的热点。无缝钢轨利用扣件阻力、道床阻力等外力强制限制其自由伸缩[1], 由于物体的热胀冷缩效应, 在钢轨内部会产生很大的纵向温度力[2,3]。若不能及时、准确掌握钢轨温度力状况, 并对温度力超限地段及时调整、放散, 就可能发生断轨、胀轨跑道等事故, 危及行车安全[4,5]。因此, 无缝钢轨温度力的准确、实用测量是无缝线路安全状态研究中的一个关键课题[6]。
王建文等人利用钢轨在弹性变形范围内, 其侧向挠曲变形与温度内力变化有密切关系的原理, 建模分析了二者的变化规律, 并研制出钢轨温度内力测试系统[6,7]。彭小丹利用超声波在弹性体中传播时, 其传播速度与介质的应力状态之间存在线性关系的理论, 研制了超声波无缝钢轨温度应力检测系统。系统中的超声波接收电路接收检测温度应力。系统中的超声波发射电路产生的超声波, 经钢轨反射和折射后, 由接收电路接收, 其后测得其传播速度, 进而计算出钢轨的温度应力[8]。王骁利用铁磁材料被交变磁场磁化过程中, 材料内部磁畴错动产生壁移, 向外辐射电磁和声能量的现象, 设计了巴克豪森噪讯无缝线路检测仪[9]。澳洲有一种被称作“RAILSCAN”的检测方法[10], 是以摄像原理, 对轨道断面相关部位几何尺寸的检测来判断钢轨是否因温度应力等原因发生异常。英国某公司还提出一种被称作VERSE (Vertical Rail Stiffness Equipment) 的测量方法[11], 它是基于抬起钢轨所需的的垂向力因钢轨纵向力的不同而不同, 从而间接得到钢轨的温度应力。以上测试方法都对钢轨的温度应力的测试做了有益的探索, 但钢轨本身作为行车信号的通道, 对钢轨测试时不能影响该信号, 故以上测试方法不够完善, 设备的安装使用较为复杂, 推广使用有一定困难。另外, 上述温度应力测试装置都是便携式仪器, 须在无车时对钢轨进行现场测试, 无法实现实时远程监测。
应变能准确反映钢轨内部温度力的状况, 本文采用应变法, 结合无线通信技术, 研制了钢轨应变实时监测节点, 实现对数据的实时采集及远程传输。通过高低温实验验证节点性能, 并用标准应变模拟仪标定节点, 校正其初始值和线性度, 最终实现对钢轨应变的实时在线监测。实践证明该方法切实可行, 节点适用于钢轨线路等封闭性测量环境。
1 节点应变检测电路设计
1.1 测量原理
应变与钢轨温度变化有直接关系, 故节点采集应变的同时也应采集钢轨的温度。本文中将应变片和温度传感器粘贴在钢轨表面, 直接测得钢轨应变和温度。
在钢轨轨腰中性轴处粘贴应变片, 则应变片的丝栅随钢轨一起发生长短变化。图1为应变片和节点内的低温漂电阻组成的全桥桥路。电阻R1, R2的低温漂特性从一定程度上补偿温度变化对测量值的影响, 纵向应变片R3主要测量钢轨纵向应变, 而竖向应变片R4先贴在与被测轨热胀系数相同的补偿块上, 再将补偿块贴在钢轨上与钢轨保持同样的温度, 用于温度补偿和参照系数。
在B端给桥路供电, AC两端的压差ΔU输出为:
当钢轨应变发生变化, 应变片阻值R3, R4变化引起AC两端压差变化, 经过后续处理单元, 计算出钢轨应变的改变量。
1.2 检测电路设计
节点主要由采集单元、无线通信单元和供电单元3部分组成。原理框图如图2所示。
采集单元主要实现对桥路信号的放大、滤波等处理, 经A/D转换后对数据进行采集、存储, 并对控制命令及时响应。由于桥路输出的微小信号易受影响, 而桥臂电阻、放大器、滤波器等器件的温漂不可避免, 故本文中选用低温漂电阻及本身温度系数小、性能良好的芯片对模拟信号进行处理, 尽量减小系统温漂。选用MSP430系列芯片做CPU, 该芯片采用精简指令结构, 执行速度快, 片内含有本文中需要的定时器、串行口、SPI口等资源, 并有多种低功耗模式, 也可根据系统运行速度灵活选择不同频率的运行时钟, 以降低功耗。而工作于恶劣环境中的设备, 由于强磁干扰、强辐射等影响, 可能会造成程序跑飞, 发生不可预知的后果。为了防止上述意外发生, 使单片机可在无人状态下连续稳定工作, 本系统为微处理器添加看门狗芯片监测程序运行状态。若程序正常运行, CPU能在规定时间内喂狗, 否则看门狗溢出使单片机复位。
为了实现对钢轨应变的实时远程监测, 本文选用Zig Bee网络进行节点数据的无线传输。该网络容量大、功耗低, 且网络的自组织、自愈能力强。应用该网络, 节点与网关间可自动动态组网, 快速建立连接。其协议紧凑简单, 对资源要求少, 并建立了碰撞避免和应答通信机制, 从而避免了发送数据时的竞争和冲突, 保证了传输信息的高效和高可靠性。
节点应用于户外, 且要实现全天候监测, 由于供电不便且节点进行了低功耗设计, 对能源消耗不大, 故采用太阳能电池板加蓄电池的方式供电;另外, 为了防止雷击损坏节点、影响行车信号, 在供电模块中添加避雷装置, 以吸收雷击时的瞬间高压, 保护节点安全。
2 节点软件设计
2.1 软件设计总体思路
系统软件设计总体思路如图3所示, 采用模块化程序设计方案, 程序分为外部接口模块、处理函数模块及内存模块。外部接口模块主要完成对节点外部接口的操作, 如对Zig Bee和外部传感器的初始化、供电控制等。处理函数为节点的外部接口模块和内存模块的连接部分, 主要完成对Zig Bee网络数据的接收和发送, 包括按照协议对接收的数据进行处理、组织待发送数据, 及按照设置的采样参数采集传感器数据;对数据的管理本文视为内存管理, 如对Zig Bee网络中接收的数据、待发送到无线网络中的数据进行暂存, 及对节点运行参数和传感器数据的存储, 以便后续处理。
2.2 节点与网关间通信协议设计
2.2.1 总体协议
节点与网关通信协议如图4所示, 本文对原有的Zig Bee协议进行了优化改进, 增加了节点数据的起始符, 使网关能快速区分其检测到的Zig Bee设备是否属于本系统, 而对系统外设备的数据, 则进行剔除, 防止数据混乱。
节点的ID号与其安装位置一一对应, 采集的数据较多需分包传输, 并且对数据的查询、分析等操作依赖于时间信息。基于以上原因, 节点传输的数据中除应变、温度数据外, 还有节点ID号、本次数据采样起始时间、总共发送的包数、当前包号等附加信息, 方便对数据进行后续解析、分析等处理。
该协议中利用帧长度而非特定结束符判断帧是否结束, 防止采集数据中恰好出现结束符导致后续解析错误。为保证数据传输的高可靠性, 采用双重校验, 对于整帧数据采用简单和校验, 对于节点数据采用高效差错控制的CRC法校验。本文按半字节进行CRC校验, 既不会占用太多内存, 又不至于影响处理速度。
2.2.2 数据静态组包动态发送策略及自动补包机制
发送的一帧数据中, 必须包含Zig Bee协议中规定的字节。数据包过短会造成资源浪费, 而数据包过长又会导致数据不易发送成功。经测试, 每个数据包发送成功所需的时间和该数据包长度有关, 数据包长度为80~120 B时, 发送成功所需的时间最短, 而通信质量差时, 即便数据包长度很短, 也不易发送成功, 故本文中采用静态组包动态发送策略。即数据包长度固定, 节点自动检测当前通信质量, 并根据链路质量及网关的回应信息, 自动调整每包发送次数及发送相邻的数据包时的间隔时间。
若传输过程中, 有数据包丢失, 则要对本次数据传输进行补包处理。每包数据达到最多发送次数, 仍未发送成功, 则记录该包的包号, 待全部数据包发送完成后, 进行补包。丢包较少时, 只重发网关未接收成功的数据包;若丢包超过总数据包的1 3, 则为减少网关补包后重新组包的工作, 节点自动检测通信质量, 适合发送数据时, 将全部数据包重新上传。
2.3 FLASH分块管理策略
节点采用外部FLASH保存采集的传感器数据和用户配置的参数等重要信息, 防止意外掉电时数据丢失。因FLASH的擦除次数有限, 故应合理规划数据的存储机制, 以尽量保证磨损均匀, 提高FLASH的使用寿命, 保证数据安全可靠。本文中采用分块管理的方法, 将各块按其存储状态进行管理。空白块用于保存下次节点采集的数据, 数据块存储了节点要向网关发送的数据, 可擦除块为向网关发送成功的数据块。根据存储状态同时兼顾擦除次数, 将页编码排列在链表中, 用于指示采集的数据和待发送的数据的存储位置, 同时依据存储状态的改变及时调整链表。其过程如图5所示。
3 节点测试与结果
3.1 节点的高低温实验
为了测试温漂特性, 将节点连接温度传感器并用外接电阻替代图1中的应变片, 进行高低温测试。温度循环设置为:从40℃降到-20℃, 然后再升高至40℃。节点在-20℃、0℃、20℃及40℃分别保持30 min, 由一个温度保持点经过30 min到达下一个设定温度, 每个循环周期为6 h。图6为节点在高低温实验箱内, 3个温度循环周期中测得的应变和温度数据。可见应变值随温度变化而变化, 由图6中应变和温度的最大、最小值可得平均每摄氏度的应变变化量为2.7με, 节点温漂较小。
3.2 节点标定
理想状况下, 输入到节点内的应变值与节点测得的应变值应相同。实际上, 由于实验前电桥不能完全平衡, 电路中存在导线电阻, 应变片灵敏系数有误差, 元器件存在温漂等因素的影响, 节点应变测量值εout与输入值εin不完全相同, 而是为式 (2) 中的线性关系:
式中:k为二者的线性系数;b为节点的应变初始值。
为了校正节点的非线性误差, 提高应变数据采集的准确性, 本文将标准应变模拟仪作为输入源, 对节点进行标定。图7为节点和标定仪器的工作图, 按照标准应变模拟仪的要求, 根据图1中的桥路连接方法, 将其输出线A、B、C分别连接至节点的输入端, 替代应变片R3, R4, 组成全桥回路。节点采集的数据发送至网关, 网关经外部接口与电脑相连, 然后通过上位机软件查看节点采集的数据并计算k, b值。
先将应变仪对节点的输入应变调整为0, 待软件中显示的节点应变值稳定后, 多次记录节点测得的数据, 并计算其平均值, 作为节点的b值, 然后将应变仪调到10 000, 按照测得b值的方法, 依据式 (2) 计算并记录k值。其后, 分别将计算得的k, b平均值作为修正系数记录在节点中。
标定前、后节点的测量值和应变仪的标准输入值的对照见表1, 可见标定的效果明显, 标定后的应变测量值和标准值较为接近。
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3.3 现场测试
无缝钢轨温度力实时监测系统工作过程为:节点安装在钢轨上, 实时采集钢轨温度和应变, 并通过Zig Bee网络发送到网关, 实现无线局域数据的传输。网关将接收到的数据通过3G网络传送到服务器并存储在数据库内, 使监控中心可通过以太网实时远程监测钢轨的温度力状态, 对故障进行预警和及时处理。整个系统如图8所示。
将节点安装在某铁路路段进行现场实际测试, 图9为监控端获得的4天内节点采集的钢轨处的应变和温度曲线。可见现场实验期间, 节点采集的数据连续, 节点运行稳定, 实现了数据的实时采集和远程传输。从图9中可见, 钢轨应变与温度密切相关, 温度升高时, 钢轨受压应力, 应变为负值;温度降低时, 钢轨受拉应力, 应变为正值。实际测得的应变曲线趋势钢轨温度升高时, 压应变增大;钢轨温度降低时, 拉应变增大, 与钢轨实际情况相符。测得的数据中, 温度最高时 (20.4℃) 压应变最大, 为-225.6με;温度最低时 (-9.9℃) 拉应变最大, 为127.3με。
4 结论
本文研究的节点结构简单、体积小、安装方便、性能良好, 能实现对钢轨温度、应变的实时、远程监测。节点温漂较小, 元器件的温漂不影响节点数据的正确采集。本文采用数据静态组包动态发送策略、多重校验方法和模块化程序设计, 节点数据传输过程中, 数据丢失及误传的现象较少, 能在铁路线路上正常运行, 且采集的数据连续。该节点具有很大实际意义和推广价值。
注:本文通信作者为刘冲。
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应变监测 第2篇
在政法干警的面试中，有一类题目是设置了某种紧急、突发的情景，给予应试者一个特定身份，考察考生如何来处理。这类题目通过考生具体问题或矛盾的处理过程，来考察考生的应急应变能力，进而了解考生的素质潜能，判断考生是否适应或胜任政法干警职位。在面对这一类题目时，考生往往因为缺乏相关问题的处理经验或无法准确把握自身定位等原因，难以很好的解答。下面中公教育专家就谈一下面试中重点考察情景应变能力的题目的一些重要解答原则，也避免考生在回答这一类题目时走入误区。
一、以大局为重的原则
重点考查应变能力的题目所要处理的事情一般包括私事和公事，私事包括个人之事、亲属之事、家族之事等，其表现形式就是为了私人利益或某部分人的利益；公事包括国家之事、单位之事、地方之事、村庄之事等，是一种以群体的形式所表现出来的公共事务。因此，如果在私事与公事发生冲突的情况下，要服从公事，个人利益服从集体利益。对于比较严重的突发性事件，必须坚持以大局为重，服从大局。在面试中，体现大局意识，保证集体利益是政法干警考生的必备素质，也是群众对政法干警的要求，必须牢记。
二、遵循轻重缓急，学会统筹安排的原则
在很多具体事情的处理上，我们不能够简单对待，要分清事情的重要性和紧急性，按照事情的轻重缓急来正确处理。例如“你的家人给你打电话说你的母亲患病，已被送往医院，要你立即回家，但这时你的领导给你打电话，有一项重要的工作要你处理，你怎么办？”对于这道题目，看望母亲属于私事的范畴，但如果牵涉到母亲的生命健康安全，其重要性就不可忽视，应把看望母亲放在首位，工作是领导交办的，但是目前还不是最紧急的，也没有涉及到人民的生命财产安全，所以，可统筹安排，可以汇报领导适当延缓处理或找人替代。这种处理方式就是在行动之前分清事情的轻重缓急，统筹安排，而不是机械地照搬理论，考官也需要看到一个理智和情感兼具的真实的人。
三、坚持实事求是的原则
应变监测 第3篇
关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测
中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004
引言
桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相間分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。
本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。
1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数
建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。
本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。
通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。
2.2传感器布设及传感网络结构
（1）传感器布设
为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。
3结论
本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。
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光纤应变灾害监测技术及应用 第4篇
采用分布式光纤对灾害有关的各种自然因素变化数据进行监视、监测、测量, 可以为灾害预报、预警提供重要依据。如, 监视隧道中电缆温度的变化以预报线路运行状态;监视山体岩石的运动和应力的变化以预报地震和山体滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂缝等。分布式光纤灾害监测系统是一种实时灾害预报传感系统。该系统利用光纤作为传感器, 监控沿光纤不同位置的应力应变的变化, 与光纤传输系统联网, 实现系统的遥测和控制, 连续测量光纤沿线各点产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
1 光纤应变测量原理
光在光纤中传播时, 在反方向会产生散射光, 包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。大多数光纤传感系统将来自光源的光经过光纤送入调制器, 使待测参数与进入调制区的光相互作用后, 导致光的光学性质 (如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等) 发生变化, 称为被调制的光信号, 再利用被测量对光的传输特性施加的影响, 完成测量。
光纤在外力作用下长度会发生变化, 会随负荷的变化产生伸长量, 光纤伸长应变ε由下式给出:
式中:L:光纤长度
Δt:差分时延脉冲
ν:与光弹系数k、真空中光速c和有效群折射率Neff有关的常数。
即光纤伸长应变公式为:
布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程, 在注入光功率不高的情况下, 光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声, 当这种声学噪声在光纤中传播时, 其压力差将引起光纤材料折射率的变化, 从而对传输光产生自发散射作用, 同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性, 导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移, 由布里渊散射实验原理可测出散射峰的频移, 线宽及强度。由频移可直接算出声速, 而声速主要依赖于光纤所受的应力。因此, 布里渊频移与光纤中的拉伸应变密切相关。这里所说的应变是指光纤长度方向上的拉伸应变, 而忽略横向压力引起的应变, 因为横向应力达到2.2kg/m时对布里渊频移的影响仍很小。
2 分布式光纤应变监测原理
光纤应变监测使用单模光纤。光在单模光纤中传输除了受光纤本身的模内色散 (即材料色散和波导色散) 的影响外, 还会受到沿着光缆在光缆近处的各种振动、位移、应力应变及温度的影响, 这些影响最终导致光波的振幅、波长和传播速度发生变化。
应变监测原理采用的是Brillouin散射光, 布里渊散射同时受应变和温度的影响, 当光纤沿线存在轴向应变时, 光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移, 频率的漂移量与光纤应变的变化呈良好的线性关系, 因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量 (νB) 就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息, 应变分析系统将这些信息收集起来并进行处理, 就可以监测光纤沿途所出现的各种位移、应力应变的情况, 系统就会做出报警并对危害点准确定位。
3 分布式光纤应变监测系统
监测系统检测原理是利用激光的散射现象。由外界影响光缆近处的振动、位移、应力变化等都将改变光波在光纤中传输的条件, 从而改变了光波的散射, 波长等参数。
分布式光纤应力应变传感系统组成:
1) 将GFRP分布式应变传感光缆布放在需要监控的山体上, 同时利用光纤来感测信号和传输信号;
2) 采用先进的OTDR技术和Brillouin散射光对应变敏感的特性, 使用传感分析仪探测出沿着光纤不同位置的应力应变的变化, 监测光纤的变形, 推断山体的变化。
4 应用场合及方法
在BOTDR光纤监测系统中, 光纤同时作为传感元件和传输介质, 便于分布式监测, 可以与通信传输系统实现联网, 达到系统遥测、实现无人执机控制的目的。此外, 光纤体积小、柔软可弯曲, 能够容易的复合在基体结构, 而不影响基体的性能, 连续测量光纤沿线各点的产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
目前, 国外产品的测量距离在1km~30km范围内, 空间定位精度达到1m之内, 应变分辨率达到2με。具有不间断的自动测量的特点, 特别适用于需要大长度、大面积、多点监测的应用场合。这种光纤传感技术采用紧套G625单模光纤, 根据布放环境可以采用钢带铠装层增加强度, 因而, 在各种特殊场合都具有广泛的应用前景。
山体滑坡监测的应用:光纤被锚定在山体上, 监测光纤的变形推断山体的变化。
隧道安全监测的应用 (应变与位移) :光纤沿隧道布放, 监测光纤的应变和位移推断隧道安全状态。
由于分布式光纤温度应变监测系统 (BOTDR) 所使用的传感介质是光纤, 所以它可以应用于各种场合, 系统可以测试测量应力应变, 并且分布式测量。
5 结论
分布式光纤应变灾害监测技术在国外已广泛应用, 在国内已经起步并开始应用。可以预计的应用场合包括地铁沿线隧道环境应变的监测;地震多发地区的山体运动的监测, 山区铁路沿线山体状态的监测;山区泥石流易发生路基损坏状态的监测等等。相信随着该技术的成熟和推广, 将对我国各种自然灾害的发生能启动预警发挥重大作用, 同时对灾害多发区的公路、铁路运行等做出重要贡献。
摘要：为了实时监控测量与灾害有关的各种自然因素变化数据;采用布式光纤灾害监测技术;建立基于光纤为传感器, 监控沿光纤不同位置的应力应变的变化的系统模式;与光纤传输系统联网, 实现系统的遥测和控制, 连续测量光纤沿线各点的产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
关键词：分布式光纤,灾害,监测,应用
参考文献
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应急应变 第5篇
1、开会时由你对小组讨论进行总结，突然有一个小组成员站起来指出你的总结和小组讨论不一致，你怎么办？
2、领导的发言稿是你准备的，但是会议开始前是你准备的，但是会议开始前，领导说发言稿件忘记带了？
答题原则：
1、方应迅速、及时原则
2、主观添件、方法穷尽、阳光思维
解答的思路：直接进入对策，有的同时面临多个问题，有时只有一个问题
1、摆正心态
2、分析确定的任务、分析问题的数量、根据轻重缓急，提出应急措施
3、总结
例
一、领导的发言稿是你准备的，但是会议开始前是你准备的，但是会议开始前，领导说发言稿件忘记带了？
点评：先想最好最快的解决方法，先看我包里有没有备用的，有的话，直接拿出来如果没有稿件，就用U盘到附近的打印店打出来；单位近的话同事送过来对于发言稿非常熟悉，迅速还原，凭借领导的熟悉程度，是可以进行的通过这件事情，以后要工作做细致
例二：据报，某地可能发生泥石流，领导让你去处理此事，你怎么办？（申题一定要严禁，是可能发生）
我的方法不是可能有以下几个，很自信的说发生这种事情，我有以下几种方法： 关键点是解决问题，第一步：如果会发生，我要第一时间赶到现场，在途中通知相关部门待命，告知其可能发生的事情
第二步：赶到现场后，成立一个信息预报组，要看泥石流会不会发生，要找气象、水利、国土等相关部门去确认会不会发生，如果会发生就要联系交通、防疫、气象等部门迅速到县城，成立救援组、后勤组、安抚组、最后汇报
例三：某社区有人发传单说：“楼上的发射塔对人身体影响巨大。”又有人在网上发表文章，呼吁社区居民今晚八点一起拆塔，如果你是居委会负责人，你将如何处理这件事？ 点评：对策要切实可行
开头比较困难，应急类的说心态，开头开不了，之间想对策
一、先通过广播告诉大家，不要让大家去，要先承诺；在警示；
二、专门派人去护塔，让居委会
三、请人鉴定发射塔是否危害，如果不危害，把坚定结果贴出来；如果危害，请示相关部门进行拆除
四、派工作人员去删除帖子，并通过媒体进行澄清
应变监测 第6篇
结构在外界荷载的作用下会产生一定的响应, 其中包括有结构的加速度、位移和应变等, 现在已有的研究大都是针对结构的加速度响应和位移响应的数据进行分析的, 而基于结构测量得到的应变响应进行结构的状态评估的研究目前还不多。其基于应变的结构状态评估的研究目前较少的主要原因有以下几个方面:
1) 传统的应变传感器满足不了对结构的应变长期而稳定的监测;
2) 应变特征指标及分析方法的不足, 由于结构在移动荷载作用下的应变响应不满足稳态信号的假定, 因此基于稳态信号的分析方法在分析的过程中并不适用, 需要寻找到合适的非稳态信号的分析方法对应变信号进行处理。
测试得到的应变响应中包含有大量的数据信息, 但大部分应变信息均是对结构的状态评估无用的信息, 若没有找到合适的特征指标和特征提取方法则不仅会无法准确的对结构的状态进行评估而且会占用相当多的存储空间, 因此选用合理的应变特征指标对结构的状态进行评估是非常必要的。
2 原理
针对高速公路桥梁结构的特点和已有的研究的不足, 项目组选用光纤光栅应变传感器进行桥梁在移动荷载作用下的响应的测试手段。在获得大量的实测应变信号后基于EMD方法实现结构应变响应的动、静分离, 在此基础上分别对结构的静态应变响应和动态应变响应的初步应用进行了探讨, 但这样的分析对结构的状态评估是远远不足的, 因此仍然需要进一步分析出合理的结构状态评估的特征指标。
在单一移动荷载的作用下结构的应变响应中会出现明显的应变峰值, 且基于分离出的静态应变响应中已经不包括有车辆的移动速度的影响, 其所得到的应变幅值只与荷载的大小有关, 因此基于得到的应变幅值可以对结构的荷载进行分析也能分析出结构的状态。
其分析的过程大致如下:
1) 基于EMD分析方法对测量得到的应变信号进行分解, 得到静态应变响应;
2) 对不同的通道分别统计出应变峰值的时刻和响应的峰值;
3) 统计在同一时刻不同的通道下的应变峰值;
4) 基于同一通道应变峰值可以统计出结构的应变响应的分布规律, 从而间接的可以估计出荷载的分布规律, 基于同一时刻的不同通道的应变峰值可以统计出在典型的荷载作用下的结构的应变响应的分布, 其可以用于估计在典型的荷载作用下的桥梁横向分布, 用于估计桥梁的横向传力的状态。
3 评估及指标计算流程
单板受力情况的评估可按如下流程来评估:
1) 通过及时地桥梁巡检, 检查路面铺装层、桥面板下部;
2) 对怀疑有单板受力现象的桥跨, 选择跨中截面或1/4跨截面, 每个单板的中点安装应变传感器, 定期监测其动应变, 每次监测的时长建议为24 h;
3) 对各应变传感器得到的动应变监测数据, 首先进行动静分离处理, 用滤波方法、经验模态分解方法或小波变化的方法, 将车辆荷载作用下的低频成分和由于常时微震引起的成分分开;
4) 对各应变传感器的车辆荷载作用下的低频动应变成分进行相关性分析, 求各传感器之间的相关系数ρi, 各传感器信号的标准差σi, 然后用式 (1) 估计各板底应变之间的横向力分布比例系数:
其中, βij为第i, j块板应变比值, 可以近似表示该两块板之间的横向力分布比例关系;
5) 设计时第i, j块板之间横向力分布系数设为β0ij, 比较βij和β0ij, 若给定一个小数ε>0, E=β0ij-βij<ε, 则认为结构横向刚度未折减, 否则认为有所折减;
6) 定义。
定期跟踪γ随时间变化的情况, 即可用于评价结构的性能退化情况;
7) 也可以直接用βij来作为高速公路桥梁的横向刚度状态指标。
4 初步应用
为了说明推荐方法的可行性, 作者以某高速公路的三座空心板梁桥和T梁桥为例进行了实桥监测研究。在梁的目标截面, 每片梁的梁底布设应变传感器, 联系记录3 h的动应变数据, 然后按照上述方法计算推荐的指标。
表1, 表2是各桥通过上述方法计算得到的相关系数情形。
从表1, 表2数据可见, 沈阳侧各通道间的相关性普遍大于北京侧。这说明, 大石河桥沈阳侧的整体性能要好于北京侧, 两侧的单板受力情况均不严重;相比之下, 北京侧的单板受力稍明显一些, 这是因为京秦高速公路沈阳侧的交通流负荷不如北京侧大, 长期累积下来, 北京侧的整体性能下降的厉害一点。
大石河桥北京侧最外侧两个通道 (7, 8) 所在的梁板与其他梁板之间的横向联系较差, 可能存在单板受力现象。
从图1, 表3, 表4数据可见, 青龙河桥北京侧通道4, 5和9与通道8已经不相关, 说明通道8所在的预制梁板已经和其他梁板之间的横向连接基本失去作用;而其他板之间的相关性很好, 说明其整体性很好。青龙河桥沈阳侧各通道间的相关性普遍大于北京侧。这说明, 青龙河桥沈阳侧的整体性能要好于北京侧, 两侧的单板受力情况均不严重。
从图2, 表5, 表6的数据可见, 滦河桥跨中和四分跨的整体性能相当。虽然通道10和通道14、通道11和通道14的相关系数出现负值, 但由于其分属不同车道, 说明通道10, 11所在车道的梁板与通道12, 14所在的梁板之间的横向联系变弱, 可能存在单板受力现象, 见图3。
5 结语
拼装式梁桥由于铺装层的退化及病害会影响桥梁的横向分布, 通过监测手段, 可以提早发现并预知这种病害。本文建议的反映横向分布的指标, 可以很方便地从同截面的各梁梁底的应变监测中得到。
从实例研究可见, 该指标能够反映梁桥横向分布的情况, 可以成为及早发现单板受力病害的指标, 从而为桥梁铺装层大修提供决策依据。研究还发现, 实例反映的分离式高速公路的横向分布与交通流负载量有关, 交通流量的一侧指标要衰减的快, 这也反映了建议的指标的合理性。
摘要：以监测技术为背景, 研究了一种以应变监测为信息来源的横向分布状态指标, 通过该指标, 判断梁式桥的横向连接状态, 为桥梁大修提供决策依据。通过某桥的实际例子, 验证了该方法的可行性。
关键词：公路桥梁,应变,监测,横向分布,状态指标
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应变监测 第7篇
1 FBG传感技术的工作原理
FBG是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应。
宽带光源从FBG一端注入,由于纤芯折射率周期性变化,使光纤中向前和向后传输的电磁波耦合。如果电磁场满足方程式(1),则功率全部耦合到后向传输波中并形成全反射。这时反射光谱在Bragg波长处形成峰值。当外部非电量场,如温度、应变、应力等作用于光栅上时,光栅的折射率周期Λ以及有效折射率neff将随之发生变化,进而导致Bragg中心波长变化,由波长探测系统测得Bragg波长的漂移值,根据应变灵敏系数即可以得到应变值,FBG传感原理如图1所示。
FBG是一种波长选择反射器,它所反射的Bragg中心波长的数学表达式为[4]
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式中,λB为光纤光栅中心波长产生的位移;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅折射率变化周期。
其中neff和Λ二者的变化都可导致λB的变化。λB产生漂移的性质使得FBG能够作为换能元件使用,用于传感多种参数。作用在FBG上的应变和温度引起的总的波长漂移可表示为
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式中,Δε为轴向应变变化量;ΔT为温度的变化量;a为热膨胀系数;ζ为热光系数;pe为光纤有效弹光系数。实际应用中,可以分别测定光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数,根据波长解调系统所测得的Bragg中心波长漂移量,由下式可得到结构应变的变化
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式中,Kε为应变灵敏系数;KT为温度灵敏系数;KΔε是应变变化引起的波长变化量,KTΔΤ是温度变化引起的波长变化量,其中Kε和KT都可以通过实验获得[5]。
2 荷载试验研究
本试验基于武黄高速公路的某大桥,桥梁全长127.40 m,上部构造由三孔40 m跨径的装配式预应力钢筋混凝土简支梁构成;下部构造由混凝土重力埋置式桥台和天然基础重力式桥墩组成;横向由上、下行2座独立大桥组成。桥面净宽为2×9.11 m(行车道)+1.5 m(中央分割带)+2×0.6 m(路缘带)。采用FBG来监测加铺加固后桥梁的受力,通过与贴电阻应变片进行比较,验证光纤光栅传感应用于桥面监测的可行性和准确性。
2.1 FBG传感器的布设
图2表示的是碳纤维布加固预应力T梁桥(3×40 m)在加铺沥青混凝土后,跨中FBG的布置图。共12个FBG应变传感器分别布置在桥面混凝土铺装层内纵横两向钢筋、悬臂板的纵横两向钢筋、T梁的上下部钢筋、碳纤维布上。在1/4跨中的2、3号梁的下部钢筋上也各布置了1个光栅传感器,在粘贴FBG的钢筋侧面同时粘贴二片电阻应变片测量应变,以将其结果与FBG测量值进行比较。为了避免FBG应变传感器在施工过程中受到冲击,防止光纤光栅信号传输线在现场施工被破坏,为此制定了相应传感器的布设工艺:
1)打磨:为了保证传感器与混凝土的充分接触,避免FBG弯曲导致传感误差,应首先用打磨机对待测混凝土表面进行抛光,然后用砂纸打磨,使表面平整光滑。
2)清洗:用脱脂棉球沾丙酮将打磨处擦洗干净,避免粉尘、油污对表面的污染。
3)粘贴:传感器沿着待测应变方向纵向布置。采用102胶将传感器平整粘贴。
4)FBG的保护:为了保护好FBG,将其安装在传感器保护盒内。
5)传感器光缆的铺设:为了提高检测的效率,最终实现自动化测量和桥梁的长期健康监测,充分发挥FBG分布传感系统的优势,将多个应变传感器、温度传感器串接,形成传感网络,构成一个FBG桥梁监测系统,将传感器光缆沿着工程结构的走向布置,保证光缆铺设不受直接冲击。
为使传感器能够抵抗混凝土的强碱性作用,粘贴于增强钢筋表面的FBG和电阻应变片表面均涂抹环氧树脂进行保护。光信号传输线路选用标准的单模光纤软线,用直径为16 mm的套管进行保护。
在应变测量中,为了克服温度对测量的影响,由式(3)可知,测量系统可采用同种温度下的FBG温度补偿传感器进行克服,所以在桥面和桥底各布置了1个FBG温度补偿传感器。布设后的现场解调测试表明,14个FBG应变传感器成活了13个(布置在3号梁跨中梁底纵筋上的光纤光栅传感器未能成活),成活率达92.8%。
2.2 实测数据
表1给出了2种荷载试验工况(偏载和中载,如图3所示)下碳纤维布加固T梁桥中布置的光纤光栅实测波长值。
2.4 试验结果分析
应用埋于沥青混凝土加铺层,T型梁,碳纤维布上的FBG成功实现了荷载试验过程中的应变监测,从布设FBG的成活率可以得出环氧树脂可以有效隔离混凝土强碱对光纤的作用,结合光传输线路的套管保护,使FBG在经历了施工过程中的冲击和振动后能够依然保持良好的传感性能。该桥采用碳纤维布加固,荷载试验时各工况下第2、3号梁截面纵向各结构层上的应变图如图3、图4所示。
由图3可以看出在纵向第2号梁处,在跨中偏载,跨中中载,1/4跨中偏载分别作用下靠近梁底处的应变差别较大,混凝土受拉。沿梁高方向应变先增大后减小,拉应变逐渐变为压应变,各种工况下的应变差别逐渐减小,靠近梁顶处应变差别甚微,混凝土受压。由图4可知,在3号梁处,跨中中载和跨中偏载作用下梁的应变差别很小。 1/4跨中偏载作用下梁的应变小于跨中中载和跨中偏载作用下梁的应变,沿梁高方向其应变值接近于跨中中载和跨中偏载作用下梁的应变,靠梁底处混凝土受拉,靠梁顶处混凝土受压。通过分析以上2个微应变图可知在梁底用碳纤维加固可用来延缓或阻止裂缝的产生。
本试验引进FBG传感技术来测定梁的应变。利用在现行大型土木工程结构中应用较多的是振弦式传感器与光纤光栅传感器在混凝土梁中埋入后的对比试验,来验证光栅传感器满足实际工程的应用要求。本试验同时采用电阻应变片来量测梁的应变,通过对加铺加固后同一测点处FBG量测值与电阻应变片量测值的比较来验证FBG传感技术应用于桥梁监测的可行性和准确性。表2是在同一测点处,光纤光栅量测值与应变片量测值的对比。其中校验值=光栅值/应变计值。
由表2知,在2号梁顶,2号梁底,4号梁底,5号梁底处FBG测得的光栅值,与电阻应变片测值基本一致,但在3号梁顶处FBG测得的光栅值与电阻应变片测值相差较大,这应该与应变片的粘贴与保护有关。本试验也证明了采用FBG传感技术量测加铺加固后桥梁的应变是有效的,同时也为光纤光栅传感技术监测桥梁的可行性和可靠性提供了有力的依据。
3 结 语
主要介绍了FBG的工作原理,讨论了光纤光栅传感器的优势及其布设工艺与保护措施,并通过荷载试验证明FBG传感技术适合监测桥梁的需要。随着FBG理论的发展和制作工艺的日益成熟,其应用的范围将更加广阔,应用前景十分美好。
摘要：该文阐述了光纤光栅传感技术的基本原理及其优势,介绍了光纤Bragg光栅传感器(FBG)的布设工艺。利用埋入武黄高速公路某大桥内的FBG和电阻应变片实现了该桥梁在荷载试验过程中的应变监测。并通过比较FBG与电阻应变片测得的应变值来验证光纤Bragg光栅(FBG)传感技术用于桥梁应变监测的可行性。
关键词：光纤Bragg光栅(FBG),传感器,应变监测,荷载试验
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应变监测 第8篇
港口起重机是一种间歇式工作机械, 起重机的上升启动、上升制动、下降制动和下降制动过程为非稳定过程, 故起重设备结构将产生冲击和振动, 结构中的应力将发生变化, 它们将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性。另外, 港口起重机工作环境恶劣、使用频繁, 且服役周期长, 其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。目前, 我国针对起重机的主要安全保障方法仍然以定检、监检为主[1], 采用的技术手段多为目测、感观判断、停机测量、磁粉探伤等。常规检测手段相对落后, 检验人员工作量大、检测效率低, 而且常规检测方法基本上都是在停机状态下进行, 检验结果难以反映起重机械实际运行状态[2]。由于缺少长周期运行状态量, 人们无法预测在役起重机械结构的抗力水平和剩余寿命, 对于超期服役起重机械, 缺少安全评估的准确数据和降级改造的科学依据。
为了确保港口起重设备安全工作, 许多学者开始研究新的检测技术和评价方法, 以便对其稳定性和安全状况进行监测和评价。龚凌诸等[3]采用自然环境激励技术对港口起重机进行了工作振动模态分析, 为基于模态 (振型[4]、固有频率[5]等) 的结构状态监测和裂纹诊断提供了一种行之有效的方法。黄国健等[6]和聂龙武等[7]利用基于电阻应变法测试了起重机结构与载荷响应, 分别为进行金属结构耐久性评估以及动态测试试验模型提供了可靠的数据依据。刘元平等[8]利用现有无线网络将起重机的应力、应变数据远程采集到维护维修中心, 供技术人员对起重机的健康状况作出评估。由于港口起重机尺寸比较大, 往往需要很长的电缆线连接传感器和测试系统, 这就给传感器的布放带来了诸多不便。特别是在传感器使用数量比较多的场合, 各条电缆线的互相缠绕也是个需要考虑的问题。另外, 虽然无线传感系统的使用是大型特种设备检验的发展趋势, 但是无线传感设备的供电电源的长时间供电也是个需要解决的问题。目前普遍使用的锂电池一般只可以用到4 h~10 h左右。
近年来, 光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、体积小、复用能力强及能实现实时分布式测量等其他传统传感器无法比拟的优势, 在船舶结构[9]、铁道无缝线路钢轨等[10]领域有广泛的应用。另外, 由于一条光纤上可以布置多个传感器, 没有光缆线互相缠绕的问题;而且在传感器上的工作不需要加电源, 所以也没有无线传感设备的长时间供电电源问题。
本研究利用光纤光栅应变传感系统对在役港口起重机进行状态健康监测。
1 基于反射式光纤光栅传感的港口起重机结构健康监测系统
基于反射式光纤光栅传感的港口起重机健康监测系统如图1所示, 主要由宽频光源、光纤耦合器、温度光纤光栅、应变光纤光栅、光纤解调仪、健康监测软件等组成。温度光纤光栅用于温度补偿。具体的光纤布拉格光栅 (fiber Bragg grating, FBG) 的原理如下:由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变, 导致一定波长的光波发生相应的模式耦合, 使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息, 这是一种波长调制型光纤传感器。
根据光纤耦合模理论, 宽带光入射光纤将产生模式耦合, 当满足布拉格条件时, 光栅将起到一个反射镜的作用, 反射回一个窄带光波 (其余的光波从光栅的另一端透射出去) , 入射光谱、透射光谱及反射光谱如图2所示。
该窄带光波的中心波长即为光栅布拉格波长λB, 即:
式中:neff—纤芯的有效折射率, Λ—光栅周期。
当光栅受到外界温度、应变等作用时, Λ和neff都会受外界环境影响而发生变化, 表示为ΔΛ和Δneff, 导致符合Bragg条件的反射波长发生位移, 即ΔλB。对式 (1) 进行微分运算, 可得:
式 (2) 即为光栅传感检测机理, 通过检测满足Bragg条件的反射波中心波长发生位移ΔλB来检测作用在光纤上的温度、应变等外界被测信号。
在实验室条件下, 为了检验自研发的反射式光纤光栅传感港口起重机健康监测系统的工作情况, 本研究利用应变光纤光栅传感器与电阻式应变片分别对加载砝码的等强度梁进行测量。电阻式应变片以及校准后的应变光纤光栅传感器的测试结果如图3所示。
由图3可知, 两种测量结果有较好的一致性, 从而验证了该港口起重机健康监测系统的实效性。
2 港口起重机结构健康监测
某港口起重机的结构如图4 (a) 所示, 该港口起重机的4个监测点A、B、C和D如图4 (b) 所示, 本研究同时对4个监测点的应变和温度进行监测, 应变和温度光纤光栅如图4 (c) 所示。本研究利用自研发的港口起重机健康监测系统针对以下3种典型起重机的工作状况进行监测。
2.1 起重机臂架变幅 (工况一)
起重机变幅的过程如下:
(1) 最大幅度状态下进行吊重;
(2) 重物起升;
(3) 变幅使臂架角度达到允许的最小角度;
(4) 变幅使臂架角度达到允许的最大角度;
(5) 重物下降;
(6) 载荷落地。
变幅过程中监测点D的应变曲线如图5 (a) 所示。该应变曲线中波动的部分记录了变幅过程中起重机产生振动引起结构中的应力变化, 同时也显示了变幅过程中结构压应力和拉应力的变化过程。
2.2 旋转起重机臂架 (工况二)
起重机旋转臂架的过程如下:
(1) 最大幅度状态下进行吊重;
(2) 重物起升;
(3) 顺时针旋转180°;
(4) 逆时针旋转180°;
(5) 重物下降;
(6) 载荷落地。
起重机旋转过程中监测点D的应变曲线如图5 (b) 所示。旋转过程中起重机产生振动引起结构应力变化范围有大约30με的波动。
2.3 一次完整起吊和卸载过程 (工况三)
起重机完成一次起吊和卸载过程如下:
(1) 最大幅度状态下进行吊重;
(2) 重物起升;
(3) 顺时针旋转135°;
(4) 重物起升;
(5) 顺时针旋转45°;
(6) 下降制动;
(7) 载荷落地;
(8) 起升;
(9) 逆时针旋转45°;
(10) 变幅至最大;
(11) 逆时针旋转135°;
(12) 下降制动;
(13) 载荷落地;
(14) 起升;
(15) 逆时针旋转45°;
(16) 变幅至最小;
(17) 逆时针旋转135°;
(18) 顺时针旋转180°;
(19) 变幅至最大;
(20) 下降;
(21) 载荷落地。
一次完整的起吊和卸载过程对应的应变曲线如图5 (c) 所示, 在实际工况中, 应力的波动范围比变幅和旋转过程更大。实际中, 起重机在载荷多变的工作环境中长时间服役中, 其应力持续发生着变化。这些应力的变化将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性, 因此对起重机的结构进行健康检测是非常必要的。
由图可以看出, 应变曲线很好地记录了整个变幅、旋转和整个起吊卸载工作的过程, 信号有较好的信噪比。现场实测结果验证了该方法的可行性, 可为港口起重机的在线安全诊断和预测提供数据支撑。
3 结束语
港口起重机工作环境恶劣 (受台风、地震和腐蚀等影响) 、使用频繁、载荷多变, 且服役周期长, 其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。港口起重机是一种间歇式工作机械, 起重机的上升启动、上升制动、下降制动和下降制动过程为非稳定过程, 故起重设备结构将产生冲击和振动, 结构中的应力将发生变化, 它们将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性。为了掌握在役港口起重机运行时的健康状态, 笔者研究了基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机健康监测, 采用具有温度补偿功能的反射式光纤光栅传感系统对港口起重机几种典型工况 (变幅、旋转、吊重和卸载等) 进行实时在线监测。
实验室和现场实测结果验证了该方法的可行性并突出了港口起重机结构状态检测的必要性。现场实测结果为港口起重机的在线安全诊断和预测提供了数据支撑。
摘要：港口起重机工作环境恶劣、使用频繁, 且服役周期长, 其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。为了掌握在役港口起重机运行时的健康状态, 研究了基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机健康监测。采用具有温度补偿功能的反射式光纤光栅传感系统对港口起重机几种典型工况 (变幅、旋转、吊重和卸载完整过程等) 进行了实时在线监测。现场实测结果验证了该方法的可行性并突出了港口起重机结构状态检测的必要性, 现场实测结果也为港口起重机的在线安全诊断和预测提供了数据支撑。
关键词：港口起重机,结构健康监测,光纤光栅应变传感器
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应变监测 第9篇
近年来,随着经济持续增长,我国兴建了许多大型工程,其使用期长达几十年、甚至上百年。在漫长的服役期内,由于环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应等不利因素的影响,结构将不可避免地产生损伤积累和抗力衰减,从而导致其抵抗自然灾害,甚至正常环境作用的能力下降,极端情况下可能引发灾难性的突发事故[1]。这就需要对结构进行长期实时的监测和诊断,及时发现结构的损伤,并评估其安全性。而结构的应变状况是评价其健康状况的主要性能指标,因此,全面系统地获取结构的真实应变信息意义重大。光纤应变传感器以其防水防潮、稳定性、耐久性好,抗电磁干扰,能埋入工程结构而不影响基体性能等优点,在桥梁等大型结构健康监测中得到日益广泛地应用[2,3,4,5]。本文试验研究了PPP-BOTDA技术应用于钢筋混凝土结构分布式应变监测的性能,以验证将该技术应用于桥梁、隧道等大型工程健康监测的可行性。
1 PPP-BOTDA监测简支梁试验
1.1 试验装置
本次试验的试件为1根矩形截面钢筋混凝土梁,设计强度为C25,保护层厚度为30 mm。试验所采用的光纤应变分析设备是NBX6000。该仪器是日本光纳株式会社(NeuBrex)开发的布里渊光纤时域反射分析仪,它最长能够监测20 km范围内的应变,应变测量范围为-3%～4%,测量精度为±25 με,可以满足大型结构的监测要求。仪器的主要技术性能指标如表1所示。在本次试验中,脉冲宽度设定为1 ns,空间采样间隔设定为5 cm,即沿着传感光纤每隔 5 cm长度读取一个应变值。
1.2 传感光纤的铺设
本次试验布置了G1,G2,G3共3根光纤,各自布置在纵向钢筋上,梁侧面距底面30 mm处及梁的底面,分别用于测量纵筋的应变,与主筋同一截面高度处混凝土的应变和梁底混凝土的应变。为了确保试验结果能够正确反映PPP-BOTDA系统用于结构应变检测的性能优劣,在纵筋上,梁的侧面和底部还分别粘贴了9块、3块、3块电阻应变片,与PPP-BOTDA系统的监测结果进行对比。试验中所采用的传感光纤为与监测仪器配套的FN-SIL型光纤,采用专用粘结剂粘贴。试验梁的截面尺寸、配筋情况及传感器布置如图1所示。
1.3 试验方法
本次试验采用500 t液压机加载,在梁跨L/3和2L/3位置处两点对称施加集中荷载。先预载,然后分级加载。加载制度如下:第一级加载10 kN,以后每级加载4 kN。每次加载结束后读取并记录光纤传感器、电阻应变计与位移计的读数。
2 试验结果分析
2.1 钢筋的应变
图2为主筋在不同荷载作用下分别采用传感光纤G1和应变片测量得到的跨中应变分布曲线。从图3可以看出,在各级荷载作用下两者测量的结果非常吻合,基本上在一条曲线上。相对于应变片,PPP-BOTDA测试结果的最大相对误差为4.2%。这说明PPP-BOTDA光纤传感器的测量准确性比较高,可以满足工程实际应用所需的精度要求。但是需要指出的是,在梁的两端两种传感器所测结果并不相同。图3给出了30 kN荷载作用下混凝土试验梁的应变分布。图3中横坐标代表传感光纤距离梁端的长度,纵坐标表示在某一位置传感光纤发生的应变。很明显,在梁端一定范围内,传感光纤G1测得的应变要小于应变片测得的应变。这是由于PPP-BOTDA系统所测得的分布式应变是其空间分辨率范围内的平均应变,在梁端附近,读数点的采样范围包括一部分未受力区域,因而实测应变值偏小。为了考虑空间分辨率的影响,试验中,我们将仪器空间分辨率从100 mm降低至200 mm,发现此时梁端的应变实测值偏差更大。这表明应变测量时选择的空间分辨率越低,对端部应变测量精度的影响越大。
从钢筋应变发展趋势来看,当荷载为10 kN,14 kN时,钢筋应变变化缓慢。加载至18 kN时,钢筋应变急剧增大,在随后的加载中,其应变呈斜直线上升。由实验记录可知,加载到18 kN时,梁跨中底部出现微裂缝,试验梁开始产生损伤。这说明梁内主筋的应变变化对梁的工作状态比较敏感。
2.2 混凝土的应变
为了比较,当荷载为10 kN和14 kN时,受拉区混凝土的应变分布基本呈一条直线,G3光纤的检测结果与电测结果很好吻合。当荷载增加到18 kN时,混凝土应变开始急剧增大,应变曲线发生了转折。此后,G3光纤检测得到的应变值随着荷载的增加而逐渐增大,但与电测结果吻合欠佳,最大相对误差达到了24.8%。之所以产生这一结果:1)由于光纤传感器测得的应变大小是设定的仪器空间分辨率范围内的平均应变,本次试验中,在应变片所处位置,PPP-BOTDA系统测得的应变可能偏小;2)试验梁受拉区混凝土开裂,可能应变片恰好穿过其中一条裂缝,造成电测结果偏大。G2光纤的检测结果与电测结果全过程较好吻合,二者最大相对误差绝对值仅为5.3%,这表明PPP-BOTDA系统的检测结果能够比较准确地反映混凝土的实际应变分布。
3 结语
大型、大跨结构健康诊断的分布式实时监控是一大发展趋势,也是一项需要不断攻关的高新技术课题。本文结合钢筋混凝土简支梁试验,对PPP-BOTDA系统应用于大型钢筋混凝土结构的健康监测进行了可行性研究。从以上的试验结果可知,PPP-BOTDA光纤传感技术可比较准确地测量钢筋和混凝土沿传感光纤任一点的应变,而且其精度也较高,完全可应用于桥梁等大型结构的健康监测。实际工程应用中,传感光纤为预埋时,应提前设计好与其他工序的配合,做好预埋光纤的定位、固定、保护。此外,传感光纤如何布设比较优化,是否可以采用小波分析等手段消除噪声影响,进一步提高测量精度,对PPP-BOTDA技术的实用化同样具有重要意义,这些问题都需在后续研究中加以解决。
摘要：为了验证将PPP-BOTDA技术应用于桥梁、隧道等大型或大跨结构健康监测的可行性,试验研究了PPP-BOTDA在钢筋混凝土结构应变监测中的应用,实验结果表明,PPP-BOTDA检测的应变与应变片测量结果比较吻合,能够准确监测钢筋混凝土试验梁的应变,可以应用于大型或大跨结构的健康监测。
关键词：PPP-BOTDA,分布式应变,健康监测,光纤传感,钢筋混凝土结构
参考文献
[1]欧进萍.重大工程结构智能传感网络与健康监测系统的研究与应用[J].中国科学基金,2005(1):8-12.
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