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基本信息
- 項目名稱：
- 光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測系統(tǒng)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本創(chuàng)新小組設(shè)計研制了一種新型光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器，并將其與連通管裝置有效結(jié)合，開發(fā)出光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測系統(tǒng)。它基于連通管原理，通過安裝在被測結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)撓度傳感器，拾取結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號，對其進(jìn)行處理分析，得到結(jié)構(gòu)撓度的變化歷程，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)作出科學(xué)評估。 與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)撓度測量工具相比，本系統(tǒng)長期穩(wěn)定性好、靈敏度高，能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離多點同步自動測量，不受天氣環(huán)境影響，可與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的其他子系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備共享。 本系統(tǒng)精度達(dá)0.1mm，量程可根據(jù)不同要求進(jìn)行選擇，適用于各類橋梁荷載試驗的撓度測量，特別是橋梁結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測；也適用于其它多類結(jié)構(gòu)物的撓度監(jiān)測。其經(jīng)濟(jì)、社會效益將十分顯著。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、基本工作原理 以連通管裝置及液位保持器形成的等高程水平面為基準(zhǔn)，通過安裝在結(jié)構(gòu)上的光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器，拾取結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號；將其處理與分析，得到結(jié)構(gòu)撓度的變化歷程，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的科學(xué)的評估提供依據(jù)。 二、系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)有以下三部分組成：信號采集部分（結(jié)構(gòu)撓度傳感器、連通管裝置與液位保持器）、信號傳輸與解調(diào)部分（光纖、光纖光柵解調(diào)裝置）、信號輸出部分（信號處理器、輸出設(shè)備）。 系統(tǒng)主要組成部分作用如下： ①連通管裝置及液位保持器形成一等高程水平面，以此構(gòu)成結(jié)構(gòu)撓度變化的基準(zhǔn)； ②結(jié)構(gòu)撓度傳感器、光纖光柵解調(diào)裝置、信號處理器用于拾取、解調(diào)及處理結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號； ③通過處理分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號，獲得結(jié)構(gòu)撓度變化歷程，從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測的目的。 三、創(chuàng)新點 1.設(shè)計研制了一種新型光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器（通過查新發(fā)現(xiàn)尚無同類結(jié)構(gòu)撓度傳感器），該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了其穩(wěn)定性； 2.將光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器與連通管裝置有效結(jié)合，形成了一種新的基于連通管原理的結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測系統(tǒng)； 3.系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)接口，可與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)有效整合，實現(xiàn)設(shè)備共享。 四、主要技術(shù)指標(biāo) 精 度：0.1mm 靈 敏 度：0.033mm/pm 量 程：根據(jù)實際需要選擇 監(jiān)測模式：多點測量 監(jiān)測方式：自動測量、自動記錄 五、作品科學(xué)性先進(jìn)性 1.穩(wěn)定性好 系統(tǒng)利用光纖光柵傳感元件的本質(zhì)數(shù)字特征，保證了信號的穩(wěn)定傳輸；結(jié)構(gòu)撓度傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，保證了傳感器的穩(wěn)定性；光纖光柵傳感元件的合理分布形式，消除了環(huán)境溫度對測量數(shù)據(jù)的影響。 2.精度高 本系統(tǒng)在保證長期穩(wěn)定性的前提下，能達(dá)到較高的精度（0.1mm），足以滿足結(jié)構(gòu)物的工程測量需要。 3.遠(yuǎn)距離多點同步自動測量 通過同時設(shè)置多個結(jié)構(gòu)撓度傳感器，可實現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)的多點同步監(jiān)測。系統(tǒng)傳輸?shù)氖枪庑盘?，易于遠(yuǎn)距離傳輸。 4.不受天氣環(huán)境影響 采用封閉結(jié)構(gòu)和自動測量，避免了橋梁現(xiàn)場高塵高濕等環(huán)境的影響，且能在夜間精確監(jiān)測。 5.設(shè)備共享 可與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)設(shè)備共享，節(jié)約監(jiān)測系統(tǒng)的總成本。 對比現(xiàn)有撓度監(jiān)測（量測）工具，本系統(tǒng)比傳統(tǒng)測量工具省時省力，且有效彌補了它們無法實現(xiàn)長期監(jiān)測的不足。同時系統(tǒng)較現(xiàn)有自動監(jiān)測工具精度高，且光纖光柵傳感器的應(yīng)用，克服了其它監(jiān)測系統(tǒng)易受電磁干擾的缺陷?？傊鞠到y(tǒng)很好地克服了其它測量方式的主要缺點，能夠更穩(wěn)定、更有效地監(jiān)測結(jié)構(gòu)撓度。 七、適應(yīng)范圍與推廣前景 本系統(tǒng)不僅適用于各類橋梁荷載試驗的撓度測量；也適用于其它多類結(jié)構(gòu)物的撓度或高程監(jiān)測，如隧道拱頂下沉、邊坡滑動觀測等。以橋梁為例，近年來橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，至08年底，我國公路橋梁達(dá)59.46萬座，其中特大橋梁1457座，大橋39381座，對它們進(jìn)行健康監(jiān)測意義重大。結(jié)構(gòu)物撓度長期監(jiān)測的實現(xiàn)，不僅能避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更能通過提高大型結(jié)構(gòu)的安全管理水平與效率、提供更有效的安全保障，帶來顯著的社會效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的和基本思路： 隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長，橋梁等結(jié)構(gòu)物建設(shè)步伐加快。然而橋梁施工缺陷、超規(guī)格使用等因素，屢屢導(dǎo)致坍塌事故。這給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，對橋梁等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行健康監(jiān)測刻不容緩；也引起我們對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)注。在我校光纖中心參觀學(xué)習(xí)時，了解到光纖光柵傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程后得知，撓度是評價結(jié)構(gòu)物運行狀況和安全性的重要依據(jù)。創(chuàng)新小組查閱大量結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)：①現(xiàn)有撓度量測工具無法很好滿足健康監(jiān)測的需要②光纖光柵傳感器尚未應(yīng)用于撓度監(jiān)測。由此，創(chuàng)新小組大膽提出將光纖光柵傳感技術(shù)和連通管原理相結(jié)合的方案，并在大量試驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測系統(tǒng)。 創(chuàng)新點： ①設(shè)計研制了一種新型光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計保證了其穩(wěn)定性；②將光纖光柵結(jié)構(gòu)撓度傳感器與連通管裝置有效結(jié)合，形成一種新的基于連通管原理的結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測系統(tǒng)；③系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)接口，可與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)其它子系統(tǒng)有效整合，實現(xiàn)設(shè)備共享。 技術(shù)關(guān)鍵： ①選擇光纖光柵傳感元件合理的分布形式，消除了環(huán)境溫度影響，保證傳感器的長期穩(wěn)定性；②合理設(shè)計結(jié)構(gòu)撓度傳感器中彈性敏感元件，保證系統(tǒng)精度和靈敏度；③采用與其它健康監(jiān)測子系統(tǒng)共享的光纖光柵解調(diào)儀，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的處理與分析。 主要技術(shù)指標(biāo)： 精度：0.1mm；靈敏度：0.033mm/pm；量程：根據(jù)實際需要選擇；監(jiān)測模式：多點測量；監(jiān)測方式：自動測量自動記錄。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)性先進(jìn)性： ①穩(wěn)定性好。本系統(tǒng)利用了光纖光柵傳感元件的本質(zhì)數(shù)字特征，保證了信號穩(wěn)定傳輸；結(jié)構(gòu)撓度傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，避免了光纖光柵傳感元件長期受力所產(chǎn)生的蠕變，保證了結(jié)構(gòu)撓度傳感器的穩(wěn)定性；光纖光柵傳感元件的合理分布形式，消除了環(huán)境溫度對測量數(shù)據(jù)的影響。 ②精度高。在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，具有較高的精度，滿足結(jié)構(gòu)物工程測量的需要。 ③遠(yuǎn)距離多點同步自動測量。設(shè)置多個結(jié)構(gòu)撓度傳感器，可對大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行多點同步自動監(jiān)測；系統(tǒng)傳輸光信號，便于遠(yuǎn)距離傳輸。 ④不受天氣環(huán)境影響。采用封閉結(jié)構(gòu)和自動測量，避免了高塵高濕等惡劣環(huán)境影響，且能夜間監(jiān)測。 ⑤設(shè)備共享。可與健康監(jiān)測系統(tǒng)其它子系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備共享，節(jié)約總成本；采用光纖光柵傳感技術(shù)使各子系統(tǒng)的集成成為可能。 參考文獻(xiàn)（詳見研制報告附件）： [1]鮑文忠,光纖光柵傳感器在橋梁工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用. [2]張啟偉,大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2009年6月6日在“湖北省第七屆‘挑戰(zhàn)杯 青春在WO’大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”中獲得一等獎。 “湖北省第七屆‘挑戰(zhàn)杯 青春在WO’大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”由共青團(tuán)湖北省委、湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會、湖北省教育廳、湖北省學(xué)生聯(lián)合會共同舉辦。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型 現(xiàn)場演示 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：系統(tǒng)由信號采集、信號傳輸與解調(diào)及信號輸出三部分組成。工作流程為：①連通管裝置及液位保持器形成等高程水平面，構(gòu)成撓度變化基準(zhǔn)；②結(jié)構(gòu)受載后撓度發(fā)生變化，液位高程不變，撓度傳感器內(nèi)相對液位改變，引起響應(yīng)信號變化；③對信號處理后可獲得各測量點撓度變化值。 技術(shù)特點與優(yōu)勢：與現(xiàn)有量測工具相比，本系統(tǒng)最大優(yōu)勢是穩(wěn)定性好，同時精度高，能遠(yuǎn)距離多點同步自動測量，不受天氣環(huán)境影響；采用光纖光柵傳感技術(shù)使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測各子系統(tǒng)的集成成為可能。 適應(yīng)范圍及市場分析：本系統(tǒng)不僅適用于各類橋梁荷載試驗及長期健康監(jiān)測的撓度測量；也適用于其它多類結(jié)構(gòu)物的撓度或高程監(jiān)測，如隧道拱頂下沉、邊坡滑動觀測等。以橋梁為例，近年來橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，至08年底，我國公路橋梁達(dá)59.46萬座，其中特大橋梁1457座，大橋39381座，可見市場潛力巨大。結(jié)構(gòu)物撓度長期監(jiān)測的實現(xiàn)，不僅能避免巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更能通過提高大型結(jié)構(gòu)的安全管理水平與效率，提供更有效的安全保障，帶來顯著的社會效益。
同類課題研究水平概述
- 結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)是針對結(jié)構(gòu)物運行和維護(hù)過程的一項新興技術(shù)，它能夠?qū)崟r監(jiān)測結(jié)構(gòu)物運行過程中的狀態(tài)參數(shù)，提供結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能通過數(shù)據(jù)分析及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，以便采取有效措施防止重大事故的發(fā)生。撓度是綜合反映結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的重要參數(shù)，是評價結(jié)構(gòu)物健康狀況的重要依據(jù)之一。 橋梁撓度監(jiān)測是結(jié)構(gòu)物撓度監(jiān)測的重要研究內(nèi)容。目前，實際應(yīng)用中的橋梁撓度監(jiān)測方法及其原理主要如下： ①精密水準(zhǔn)儀法：利用水準(zhǔn)儀測量結(jié)構(gòu)撓度變化； ②全站儀法：主要利用三角高程測量的原理計算結(jié)構(gòu)撓度； ③百（千）分表法—利用高架法或懸絲法將百（千）分表安裝在結(jié)構(gòu)物下表面待測部位，百（千）分表上的讀數(shù)即為結(jié)構(gòu)撓度的變化值； ④激光光斑法：將準(zhǔn)直激光器裝于待測點上，利用光電接收器件探測激光光斑的中心位置，經(jīng)專用電路進(jìn)行處理后即可得到結(jié)構(gòu)物的撓度； ⑤光電成像法：將發(fā)光靶標(biāo)與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)分別安裝在橋梁結(jié)構(gòu)的被測點與固定點上，靶標(biāo)的位置變化經(jīng)圖像處理后即可得到結(jié)構(gòu)撓度的變化量； ⑥GPS法：將移動站和基準(zhǔn)站分別安裝在結(jié)構(gòu)物的被測點和固定點上，通過差分技術(shù)得到結(jié)構(gòu)撓度的變化量。 此外，還有傳統(tǒng)連通管法及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的測量方法，其關(guān)鍵在于對液位的測量。連通管法抗干擾、精度高，但傳統(tǒng)方法需人工讀數(shù)，費時費力，無法進(jìn)行長期監(jiān)測。改進(jìn)后，可自動測量長期監(jiān)測。目前已有采用超聲波、電感和光電等技術(shù)探測液位變化的方法運用于橋梁的健康監(jiān)測。 超聲波法測量精度較低（厘米級），但測量范圍較大。 連通管式光電撓度自動監(jiān)測系統(tǒng)，將連通管技術(shù)與光電檢測技術(shù)相結(jié)合，已運用于大佛寺長江大橋主梁線形監(jiān)測。該系統(tǒng)價格較貴，無法與其它健康監(jiān)測子系統(tǒng)有效整合。 電感調(diào)頻橋梁撓度自動監(jiān)測系統(tǒng)，基于連通管原理，并采用電感調(diào)頻液位傳感器、RS-485通訊技術(shù)、光纖通訊技術(shù)，已應(yīng)用于岳陽洞庭湖大橋。 光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、便于復(fù)用、多參量分布式測量等優(yōu)點，光纖光柵傳感技術(shù)已成為橋梁等大型結(jié)構(gòu)物應(yīng)變及溫度等健康監(jiān)測的重要技術(shù)手段。 注：參考文獻(xiàn)及現(xiàn)有撓度測量工具的特點詳見研制報告相關(guān)部分。
