基于光纖Bragg光柵的古建筑結構健康監測技術研究*

任小芳,賈 棟,趙 輝*,王 高,張志偉

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國電信太原分公司,太原 030012)

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基于光纖Bragg光柵的古建筑結構健康監測技術研究*

任小芳1,賈 棟2,趙 輝1*,王 高1,張志偉1

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國電信太原分公司,太原 030012)

古建筑具有極其寶貴的歷史、文化、藝術和科學研究價值。通過基于3×3耦合器的M-Z干涉解調技術和LabVIEW相結合的方法,設計了古建筑結構健康監測系統,實現了干涉儀信號的采集、處理、保存、波形顯示和變化量的跟蹤顯示、頻譜分析、預警等功能,不僅能夠避免光源強度與干涉條紋對比度變化對測量結果的影響,而且操作簡單,設備成本低。設計了光纖光柵應變傳感實驗測試系統性能,結果表明相位變化與應變呈良好的線性關系,測量誤差為1.4%。

光纖光柵;結構健康監測;古建筑;LabVIEW;對稱解調;M-Z干涉儀;應變

光纖光柵傳感作為一種新型的傳感技術,由于其靈敏度高,動態范圍大,抗干擾能力強,重量輕,體積小等諸多優點[1],已被廣泛應用于橋梁、大壩等諸多土木工程領域。目前,應用于古建筑上的結構健康監測系統相對較少[2]。2004年,史學濤[3]等采用光纖光柵應變傳感器監測“上海大世界”的結構裂縫。2005年,陸錚為了解上海市“沉香閣”木結構節點的變形情況,將光纖光柵傳感器安裝到閣內梁、柱的臨時支撐上來驗證臨時支撐作用的有效性[4]。光纖光柵傳感技術還未廣泛應用于古建筑的健康監測方面,其中一個重要的原因就是傳統的監測方法在精度、穩定性和直觀顯示方面達不到理想的效果,并且操作復雜,設備成本高。

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調技術具有結構穩定、可靠,測量動態范圍大,探測靈敏度高等優點。為了實現古建筑結構健康的實時監測,掌握古建筑的健康狀況,預防突發情況,本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉解調方法并結合LabVIEW做編程開發,對被測信號進行數據處理和頻譜分析,實現信號波形的直觀顯示、預警以及變化量的跟蹤顯示,并設計光纖光柵應變傳感實驗測試系統性能,結果表明相位與應變呈良好的線性關系,系統誤差可達到1.4%,取得了較理想的效果。

1 基于3×3耦合器的M-Z干涉解調原理介紹

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調原理如圖1所示。光纖光柵接收到ASE寬帶光源發出的光,返回符合光波反射特性的窄帶光,并進入M-Z干涉儀,將波長信號調制為相位信號,由于干涉儀是由3 dB的2×2耦合器和3×3耦合器組成,光在其中發生干涉,將相位信號調制為三路光強信號,根據3×3耦合器的光學傳輸特性可知,這三路輸出兩兩之間有2π/3的相位差,再經過光電探測電路,輸出三路電壓信號[5],分別為:

U1=D+Acos[φ(t)]

(1)

(2)

(3)

圖1 基于3×3耦合器的M-Z干涉原理圖

其中,φ(t)為干涉儀兩臂之間的相位差,D為輸出直流分量,A為干涉條紋對比度。根據干涉儀相位與反射光中心波長的關系[6],即

(4)

式中d為干涉儀的臂長差,n為光纖纖芯的有效折射系數,λB為光纖Bragg光柵的反射光中心波長,ΔλB(t)為中心波長變化量,與光纖Bragg光柵受到溫度、應變有關,可表示為[7]:

(5)

Pe為光纖的有效彈光系數,εx(t)為微應變,k為溫度靈敏度系數,Δt(t)為溫度變化。

結構健康監測主要是對結構的損傷程度和位置進行監測和診斷。外力是引起結構損傷最主要和最直接的因素,在溫度變化很小的情況下,只考慮應變的影響,因此公式變為

(6)

對于石英光纖,經理論計算得[8]

(7)

結合式(4)和式(7),可推導出

(8)

由式(8)可知相位與應變呈線性關系。只要解調出φ(t),就能得到相應的應變值。

2 LabVIEW解調原理及編程實現

古建筑所處環境的復雜性以及產生應變因素的多樣性,決定了監測系統必須誤差小、精度高。本文采用對稱解調法處理干涉儀的輸出信號[9]。這種方法能夠去除光強與干涉條紋對比度對解調結果的影響,直接解調出相位變化φ(t),避免了光源不穩定帶來的附加誤差,并且穩定可靠,很大程度上提高的系統的精確度。解調原理如圖2所示。

圖2 對稱法解調原理圖

首先消除直流分量的影響,將3個信號求和,可得

(9)

再分別與3個輸入信號相加,只剩下交流分量。并對交流分量分別求導,同時對交流分量和另外兩個信號的導數差做乘積運算,所得結果求和,最終得到和干涉條紋對比度有關的式子UN

(10)

為了去除干涉條紋對比度A的影響,將每一路信號平方并求和,可得UD

(11)

將兩個信號做除法運算,消除因子A

(12)

(13)

因此,通過以上一系列的運算可以直接解調出相位信號。

數據分析與處理是結構健康監測系統的核心,直接影響著測試結果的正確性和準確性。LabVIEW軟件代替了傳統的儀器設備,能夠節約成本,并且開發簡易,在實時監測方面具有很大的優勢[10]。在本系統中,光電探測電路之后的電壓信號,經過濾波和放大,由數據采集卡傳輸到LabVIEW軟件平臺。系統采用具有大容量SDRAM板載緩存的拓普數據采集卡UDAQ-20612作為數據采集設備,可實現較長時間的監測。采集和處理流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

通過設備的初始化,確保LabVIEW能夠搜索到采集卡,同時獲取采集卡信息,在啟動采集之前,根據具體情況設置采集的相關參數,然后進行采集、處理、保存數據等操作。根據信號解調原理,在程序面板編寫解調程序,如圖4所示。

圖4 解調程序圖

環境引起的建筑振頻主要在100Hz以下[11]。為了降低系統噪聲對測量結果的影響,在沒有信號輸入的情況下對系統做頻譜分析,如圖5所示,噪聲主要集中在100Hz附近。因此系統采用低通濾波,截止頻率為100Hz。為了能夠直觀顯示相位變化大小,在軟件編程中設置了游標跟蹤,能夠方便清晰的顯示當前幅值的變化量?！豆沤ㄖ拦I振動技術規范》中對不同建筑物規定了不同的疲勞極限[12],針對這一點系統采用閾值門限算法,一旦超過設定值便會發出警報。整個軟件的界面如圖6所示。

圖5 系統噪聲頻譜分析全局圖和局部放大圖

圖6 軟件整體界面圖

3 實驗與數據分析

應用于長期結構健康監測的眾多智能傳感器中,光纖光柵傳感器的效果是最為理想的[13]。本文設計了光纖光柵應變傳感實驗,通過實驗結果的線性度分析以及精度的測量,測試系統的性能。實驗在室內進行,并保持溫度恒定,所用的光源為ASE寬帶光源(1 525nm～1 565nm)。采用的光纖布拉格光柵長約1cm,中心波長為1550.25nm,光纖光柵剛性黏貼在不銹鋼鋸片上表面中間位置,鋸片長15cm。一端固定在試驗臺上,另一端放置不同質量的砝碼,根據懸臂梁力學原理[14],懸臂梁表面某點的形變與自由端所加的砝碼質量線性相關,因此可通過相位變化和質量的關系來判斷其與應變的關系。光纖光柵應變測試系統原理圖和實驗實測圖如圖7所示。

圖7

分別放置1g、2g、5g、10g、20g、50g、100g的砝碼,多次重復測量得到相應相位幅值變化量,所得數據如表1所示。

表1 實驗結果數據

圖8是通過origin對數據擬合得到的質量-相位變化關系圖,相應的擬合曲線表達式為

y=0.038 44x+0.105 78

(14)

圖8 質量-相位變化關系圖

圖9 阻尼振動

擬合線性度為0.989 24。從圖8可以看出,相位變化和質量表現出良好的線性關系,靈敏度為0.038 44rad/g,由此可知,相位與應變同樣線性相關。同時為驗證公式的正確性,再次放置70g的砝碼,并使鋸片產生阻尼振動,如圖9所示。讀取相應幅度變化量為2.76rad。通過式(14)計算得到相應質量為69.048 3g,測量誤差為1.4%。

4 結束語

本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉對稱解調法,結合LabVIEW編程開發,設計古建筑結構健康監測系統,實現信號采集、處理、信號的跟蹤顯示、頻譜分析以及警報等功能。通過光纖光柵應變傳感實驗測試系統的性能,實驗表明,系統穩定,操作簡單,相位與應變呈現良好的線性性,測量誤差為1.4%,達到了較理想的效果。為進一步在古建筑結構健康監測的實踐應用奠定基礎。

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Research of Structure Health Monitoring Technology for Ancient Architecture Based on FBG*

RENXiaofang1,JIADong2,ZHAOHui1*,WANGGao1,ZHANGZhiwei1

(1.National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Taiyuan Branch of China Telecom,Taiyuan 030012,China)

Ancient architecture has the great value of history,culture,art and science research.A structural health monitoring system for ancient architecture was designed,which combined M-Z interferometer demodulation technique based on 3×3 coupler and LabVIEW.It realizes the functions of data collection from interferometer,processing,storage,waveform display,variation tracking display,spectral analysis and warning.The system can not only avoid the influence of change of light source intensity and interference fringe contrast on the measurement results,but also has the advantages of simple operation,low equipment cost.The experiment of fiber Bragg grating strain sensor was designed to test system performance.The results show a good linear relationship between phase change and strain,the measurement error is 1.4%.

FBG;structural health monitoring;ancient architecture;LabVIEW;symmetry demodulation;M-Z interferometer;strain

任小芳(1991-),女,山西運城,碩士研究生,主要從事光纖傳感和信號處理方面的研究,zhuoyi0326@163.com;

趙 輝(1979-),男,講師,中北大學,主要從事光電儀器及光電測試技術研究工作,zhaohui@nuc.edu.cn;

王 高(1973-),男,副教授,碩士生導師。國際IEEE Photonics,IEEE Instru-mentation and Measurement會員。Journal of Measurement Science and Instrumen-tation副主編。天津大學博士后。從事太赫茲光譜學,非線性光學,特種傳感器研究。

項目來源:山西省青年科技研究基金(2012021013-5);山西省自然科學基金(2012011010-1)

2014-08-22 修改日期:2014-11-17

C:7230E;7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.007

TN212;TP311

A

1004-1699(2015)01-0034-05