一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置的製作方法

2023-05-11 15:48:36 2

專利名稱：一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種橋墩衝刷監測裝置，具體來說，涉及一種基於布拉格光柵(布拉格光柵的英文全稱fiber Bragg grating,文中簡稱FBG)傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，該監測裝置尤其適用於對洪水多發地區的長期實時監測、全過程衝刷回填記錄以及較好耐久性能的監測。
背景技術：
橋梁基礎結構的衝刷病害是當今橋梁結構功能失效、喪失其安全性能的最主要原因之一。以美國為例，從1966年至2005年，全美倒塌橋梁中(1502座)58%的破壞橋梁與橋梁基礎結構的衝刷病害相關，美國交通部已將橋梁基礎衝刷看作是高速公路橋梁結構功能及安全性能失效的最常見原因之一。據美國交通安全委員會統計，每年用於修復及彌補遭受基礎衝刷病害橋梁的費用平均高達三千萬美元。我國近期也頻頻出現因橋梁基礎衝刷導致結構倒塌現象。例如，2010年四川省華陽市通濟橋因洪水將橋墩基底掏空直接導致一個橋墩和相鄰橋拱發生垮塌；2009年黑龍江省鐵力市西大橋因3號墩基底局部被水衝刷脫空而發生橋體垮塌事故。事實上，中國內陸江河湖泊豐富而同時海岸線遼闊，存在大量跨江跨河橋梁以及海灣橋梁，在洪水或颶風期間均可能受到頻繁的洪水作用而導致嚴重的基礎衝刷病害，由於衝刷發生於水面以下，橋梁基礎被衝刷破壞通常沒有任何徵兆，嚴重危及橋梁結構的安全性能以及交通公路網絡的順利運營。顯然，對橋梁基礎衝刷深度進行準確實地監測是避免橋梁基礎衝刷災難發生的重要途徑。事實上，目前已開發出多種橋墩衝刷監測裝置(例如基於雷達、聲納技術)，但均難以實現有效的長期實時監測，監控時期容易受到惡劣天氣影響且監測裝置本身耐久性不高，更無法觀測到衝刷包括衝刷後河床回填的整個全過程，且容易被河流中雜物幹擾，結果不穩定，另外在洪水期間也無法實施監測，故多用於臨時性的衝刷監測使用，無法採集到長期監測數據對橋墩衝刷深度進行跟蹤以及合理預判。

發明內容
技術問題本發明所要解決的技術問題是提供一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，該監測裝置可以長期實時監測衝刷回填全過程，並且監測數據準確，使用壽命長。技術方案為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，該監測裝置包括壁面上設有通孔的套筒、位於套筒外側的傳感器數據收集器和位於套筒內腔中的監測單元；每個監測單元包括按鈕、FBG傳感器、連接板和底板，底板固定連接在套筒的內壁上，連接板固定連接在底板的頂面，按鈕一端固定連接在連接板上，按鈕另一端穿過套筒壁面上的通孔，FBG傳感器固定連接在連接板上；套筒呈密封狀態；所述的監測單元至少為兩個，監測單元沿套筒的軸向布置，且每個監測單元的FBG傳感器通過同一根光纖線串聯，並連接到傳感器數據收集器的信號輸入端。進一步，所述的每個監測單元還包括防護構件，該防護構件包括彈簧和擋板，彈簧一端固定連接在套筒的內壁上，彈簧另一端與擋板固定連接，擋板與連接板的上部相對。進一步，所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，還包括隔擋板，隔擋板固定連接在套筒的外壁上，且套筒的通孔位於隔擋板中。有益效果與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果(I)可以長期實時監測衝刷回填全過程，並且監測數據準確。本發明的監測裝置，通過不斷露出河床的按鈕，以及按鈕被水流按下而產生讀數的FBG傳感器位置，來實時監測橋墩衝刷深度的目的。這樣可實現長期監測衝刷，包括河床回填的整個全過程。同時，本發明的監測裝置利用單根光纖線將所有FBG傳感器串聯連接，利用FBG傳感器來獲取和傳遞信息，可以提高數據的準確性和穩定性。通過本監測裝置獲取的大量長期監測數據，可以被用來進行橋墩衝刷深度發展趨勢預測。(2)監測不受外部環境影響。本發明的監測裝置包括套管和按鈕，套筒的頂端開口採用密封結構，例如用混凝土澆築密封，防止水或雜物進入套筒。按鈕的外側設有密封橡膠套。密封橡膠套可以防止水或雜物從套筒和按鈕之間進入套筒。也就是說，密封橡膠套起到了密封套筒的作用。這樣，安裝在河床中的套管，呈密封狀態，不易被外界因素，如水中雜物、石塊、流冰等幹擾。這樣就保證了本發明的監測裝置在極端天氣狀態下(如洪水期間)監測不受影響；同時由於採集裝置安裝至橋墩以上並可採用無線數據傳輸技術，完全不需要人工水下手動採集數據。(3)使用壽命長，監測周期長。監測裝置採用FBG傳感器以及光纖線為主要監測設備，材料本身不存在耐久性問題，具有使用壽命長，監測周期長的優點，並且具備長距離、多點串聯、防電磁幹擾的技術優勢。


圖1是本發明安裝在橋梁上的正視圖。圖2是本發明安裝在橋梁上的側視圖。圖3是本發明中的監測單元放大圖。圖4是本發明的工作形態示意圖，其中，虛線表示受水流作用彎曲變形的連接板。圖5是本發明在監測過程中的初始位置示意圖。圖6是本發明在監測過程中經歷一段衝刷時間後的位置示意圖。圖中有按鈕1、隔擋板2、套筒3、橋墩4、橋墩蓋梁5、光纖線6、傳感器數據收集器7、布拉格光柵傳感器8、連接板9、防護構件10、支架11、混凝土 12、河床13、彈簧14、擋板15、塑料泡沫塊16、密封橡膠套17、水流18、底板19。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。如圖1至圖4所示，本發明的一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，包括壁面上設有通孔的套筒3、位於套筒3外側的傳感器數據收集器7和位於套筒3內腔中的監測單元。每個監測單元包括按鈕1、布拉格光柵傳感器8、連接板9和底板19。連接板9優選由鋼材料製成。當然，連接板9可以由其他常用的具有一定彈性的材料製成，例如具有優秀防腐性能的碳纖維板。底板19固定連接在套筒3的內壁上。連接板9固定連接在底板19的頂面。按鈕I 一端固定連接在連接板9上，按鈕I另一端穿過套筒3壁面上的通孔。布拉格光柵傳感器8固定連接在連接板9上。套筒3呈密封狀態。套筒3頂部的開口可用混凝土 12密封開口，防止雜物、水等從套筒3頂部進入套筒3內部。套筒3的通孔和按鈕I之間採用密封連接，防止水從套筒3的通孔和按鈕I之間的空隙中進入套筒3中。監測單元至少為兩個，監測單元沿套筒3的軸向布置，且每個監測單元的布拉格光柵傳感器8通過同一根光纖線6串聯，並連接到傳感器數據收集器7的信號輸入端。上述結構的監測裝置的工作過程是在套筒3內沿軸向設置多個監測單元，利用水流18衝擊監測單元中的按鈕I表面形成的水流18衝擊力，連接按鈕I的連接板9發生彎曲變形，從而觸發連接在連接板9上的FBG傳感器8產生讀數，該讀數對應於FBG傳感器8在水流18衝擊力作用下的波長變化。多個FBG傳感器8由單根光纖6串聯並連接至FBG傳感器數據收集器7。隨橋墩4衝刷深度不斷發展，埋入河床13的按鈕I以及每一個按鈕I對應的FBG傳感器8會不斷露出河床13。舉例來說，如圖5和圖6所示，圖5是本發明在監測過程中的初始位置示意圖，圖6是本發明在監測過程中經歷一段衝刷時間後的位置示意圖。從圖5和圖6可以看出隨著水流18衝刷，原來埋在河床13內的按鈕1，漸漸露出河床13表面。根據水流18衝擊力按下的按鈕I而觸發產生讀數的FBG傳感器8的位置，來準確判斷監測位置的橋墩4衝刷深度，從而進行橋墩4衝刷深度監測。上述結構的監測裝置的製備過程是首先製備套筒3 :根據衝刷深度，確定套筒3的製備長度，一般為8米左右，在該套筒3的一個側壁上，沿軸向開通孔，保持一定間距，通常為20cm左右；然後製備監測單元在連接板9的上安裝按鈕I，並且在連接板9的底部粘結一個FBG傳感器8，連接板9固定連接在底板19上；隨後安裝監測單元將監測單元從套筒3的頂端置入套筒3中，再將底板19連接在套筒3內壁上，按鈕I嵌在套筒3的通孔上，在套筒3內壁上安裝防護構件10，沿著套筒3軸向依次安裝多個監測單元，並將所有FBG傳感器8用一根光纖線6串聯連接；最後安裝套筒3 :將帶有監測單元的套筒3置入河床13中，並通過支架11固定在橋墩4上，並對套筒3的頂部開口通過混凝土 12密封，並將光纖線6連接到FBG傳感器數據收集器7上。橋墩蓋梁5位於橋墩4的頂部。橋墩蓋梁5可以用於安放FBG傳感器數據收集器7。進一步，所述的每個監測單元還包括防護構件10，該防護構件10包括彈簧14和擋板15，彈簧14 一端固定連接在套筒3的內壁上，彈簧14另一端與擋板15固定連接，擋板15與連接板9的上部相對。設置防護構件10，可以防止水流18衝擊力對連接板9上部不斷衝擊而過度變形，保持連接板9良好的彈性。這有利於保證監測數據採集的準確性。進一步，所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，還包括隔擋板2，隔擋板2固定連接在套筒3的外壁上，且套筒3的通孔位於隔擋板2中。設置隔擋板2，可抵擋石塊、流冰等雜物直接撞擊按鈕1，從而保護按鈕I。所述的隔擋板2呈L型。當然，隔擋板2也可以是其他形狀，例如環形。進一步，所述的按鈕I包括塑料泡沫塊16和密封橡膠皮套17，密封橡膠套17包裹在塑料泡沫塊16的表面，且密封橡膠套17位於套筒3外側。設置密封橡膠套17可以防止水通過套筒I的通孔和按鈕I之間的空隙流入套筒I中。本發明的監測裝置中，FRB傳感器8以及光纖線6材料本身具備有良好的耐久性能，同時裝置密封設置，水流18無法進入監測裝置內部，可實現長期實時監測橋墩4衝刷發展，包括衝刷後可能出現的河床13回填的整個全過程，並且由於其獨特的監測原理，長期監測數據準確穩定，不易被外界因素幹擾，極端天氣狀態下(如洪水期間)監測不受影響。本發明利用單根光纖線6串聯起多個FBG傳感器8，並連接(或利用無線技術)至FBG傳感器數據收集器7，進行數據傳輸。在實際實施過程中，隨著橋墩4衝刷深度不斷發展，埋入河床13面的套筒3上的按鈕I會逐漸露出河床13表面以上，水流18作用「按下」按鈕1，使套筒3內該按鈕I所對應連接板9彎曲變形，從而FBG傳感器8產生讀數。通過傳感器數據收集器7確定有讀數FBG傳感器8的位置，即可準確判斷監測位置的橋墩4衝刷深度。橋墩4衝刷深度一般可達5m以上，相應的衝刷監測裝置的長度一般需要達到Sm以上。本發明通過實驗室或者工廠整體製備，運至現場後採用打樁的方式打入河床以下。在打入過程中可利用大直徑鋼管樁套住本發明一同打入，打入之後再拔出鋼管樁的方式，降低打入過程中對監測裝置的損壞概率。
權利要求
1.一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，該監測裝置包括壁面上設有通孔的套筒(3)、位於套筒(3)外側的傳感器數據收集器(7)和位於套筒(3)內腔中的監測單元；每個監測單元包括按鈕(I)、FBG傳感器(8)、連接板(9)和底板(19 )，底板(19 )固定連接在套筒(3 )的內壁上，連接板(9 )固定連接在底板(19 )的頂面，按鈕(I) 一端固定連接在連接板(9 )上，按鈕(I)另一端穿過套筒(3 )壁面上的通孔，FBG傳感器(8)固定連接在連接板(9)上；套筒(3)呈密封狀態； 所述的監測單元至少為兩個，監測單元沿套筒(3)的軸向布置，且每個監測單元的FBG傳感器(8)通過同一根光纖線(6)串聯，並連接到傳感器數據收集器(7)的信號輸入端。
2.按照權利要求1所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，所述的每個監測單元還包括防護構件(10)，該防護構件(10)包括彈簧(14)和擋板(15)，彈簧(14)一端固定連接在套筒(3)的內壁上，彈簧(14)另一端與擋板(15)固定連接，擋板(15)與連接板(9)的上部相對。
3.按照權利要求1所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，還包括隔擋板(2)，隔擋板(2)固定連接在套筒(3)的外壁上，且套筒(3)的通孔位於隔擋板(2)中。
4.按照權利要求3所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，所述的隔擋板(2)呈L型，或者環形。
5.按照權利要求1至4中任何一項所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，所述的按鈕(I)包括塑料泡沫塊(16)和密封橡膠套(17)，密封橡膠套(17)包裹在塑料泡沫塊(16)的表面，且密封橡膠套(17)位於套筒(3)外側。
6.按照權利要求5所述的基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，其特徵在於，所述的連接板(9)由鋼材料製成。
全文摘要
本發明公開了一種基於布拉格光柵傳感器的按鈕式橋墩衝刷監測裝置，包括壁面上設有通孔的套筒、位於套筒外側的傳感器數據收集器和位於套筒內腔中的監測單元；每個監測單元包括按鈕、FBG傳感器、連接板和底板，底板固定連接在套筒的內壁上，連接板固定連接在底板的頂面，按鈕一端固定連接在連接板上，按鈕另一端穿過套筒壁面上的通孔，FBG傳感器固定連接在連接板上；套筒呈密封狀態；所述的監測單元至少為兩個，監測單元沿套筒的軸向布置，且每個監測單元的FBG傳感器通過同一根光纖線串聯，並連接到傳感器數據收集器的信號輸入端。該監測裝置可以長期實時監測衝刷回填全過程，並且監測數據準確，使用壽命長。
文檔編號G01B11/22GK103017675SQ20121056623
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者熊文, 葉見曙 申請人:東南大學