一種實時連續測量應力變化的方法及系統與流程
2023-10-08 23:19:59
本發明涉及光纖應力傳感技術領域，可用於橋梁、隧道、建築和電梯等應力測試，尤其涉及的是一種實時連續測量應力變化的方法及系統。
背景技術：
鋼纜的受力情況是反應鋼纜是否處於正常運營狀態的重要標誌之一，準確測量鋼纜的應力具有非常重要的實際意義。現有的鋼纜應力測量方法主要有壓力傳感器法、振頻法等，其計算結果往往存在較大的不確定性，測量精度較低。目前也有一些應力檢測方法是將光纖傳感器置於錨固區，但是檢測前要反覆的標定，這種方法存在很大的誤差，並且不能實現實時的對鋼纜的每一個位置的應力檢測。
有鑑於此，現有的鋼纜檢測技術根本無法達到實時、連續的監控和預警,現有技術還有待於改進和發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種實時連續測量應力變化的方法及系統，可以實時的對鋼纜的每一個位置進行監控，對災害的預警和設備的維修都帶來很大的方便。
本發明的技術方案如下：
一種實時連續測量應力變化的方法，用於測試鋼纜的應力；其中，所述方法包括以下步驟：
S1、將緊套方式處理過的光纖放入鋼纜中去取代鋼纜中的一股鋼絲；
S2、通過測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，得到光纖該處所受到的應變大小；從而實時連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力。
優選的，所述實時連續測量應力變化的方法，其中，所述測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化具體包括：
脈衝的泵浦光在光纖通過布裡淵散射產生布裡淵增益，探測光通過頻率掃描方式測量布裡淵增益譜，當探測光的頻率與布裡淵增益譜的極大值一致時，得到最大的放大；探測光不同時間掃出的布裡淵增益譜就是光纖不同位置的增益譜，不同時間的增益浦的極大值就是光纖中不同位置的布裡淵散射頻移量，即光纖不同位置的應變大小。
優選的，所述實時連續測量應力變化的方法，其中，所述泵浦光和探測光通過如下方式獲得：
頻率為ν0的窄線寬雷射器經過分路器後分為兩路；其中一路依次經過第一調製器和偏振控制器後，變成為脈衝的其偏振方向隨機變化的泵浦光；另外一路經過第二調製器後，產生頻移νB，變成頻率為ν0±νB的探測光。
優選的，所述實時連續測量應力變化的方法，其中，
泵浦光與探測光在光纖中相向傳輸，泵浦光在光纖中形成布裡淵增益，當探測光的頻移量調節到布裡淵增益譜，其能量得到最大的放大；
提取被放大的探測光，把被放大的探測光轉換為一定電平的電信號；
將電信號轉換為數字量，並進行實時累加，提高信噪比；
通過通過調製信號源驅動，使頻移量νB可以程序調節；掃描調製信號源的頻率，得到不同的光纖位置的布裡淵增益譜，經過數字算法，最後輸出光纖每一個位置的所受到的應變的大小。
優選的，所述實時連續測量應力變化的方法，其中，還包括：
通過鋼纜的每一個位置的應力的檢測結果，與預先存儲的數據進行比較，對超過一定應力的位置進行預警。
優選的，所述實時連續測量應力變化的方法，其中，所述鋼纜為橋梁鋼纜、建築塔吊鋼纜或電梯鋼纜。
一種實時連續測量應力變化的系統，其中，包括：
光纖傳感器和緊套方式處理過的光纖；所述光纖傳感器測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，得到光纖該處所受到的應變大小；從而實時連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力。
優選的，所述的實時連續測量應力變化的系統，其中，所述光纖傳感器包括：相互連接的光源模塊和處理模塊；
其中，所述光源模塊進一步包括：頻率為ν0的窄線寬雷射器、第一分路器、第一調製器、第二調製器和偏振控制器；頻率為ν0的窄線寬雷射器經過第一分路器後分為兩路；其中一路依次經過第一調製器和偏振控制器後，變成為脈衝的其偏振方向隨機變化的泵浦光；另外一路經過第二調製器後，產生頻移νB，變成頻率為ν0±νB的探測光。
優選的，所述的實時連續測量應力變化的系統，其中，所述處理模塊進一步包括：計算機、信號採集與控制單元、探測與放大單元、偏壓控制器和驅動第二調製器的調製信號源；
信號採集與控制單元把探測與放大單元輸出的電信號轉換為數字量，並進行實時累加，提高信噪比；
計算機同步信號採集與控制單元、偏壓控制器和調製信號源的工作，接收信號採集與控制單元輸出的數位訊號，通過掃描調製信號源的頻率，得到不同的光纖位置的布裡淵增益譜，經過數字算法，最後輸出應變傳感光纖每一個位置的所受到的應變的大小。
優選的，所述的實時連續測量應力變化的系統，其中，所述處理模塊還包括：第二分路器、第一環行器、濾波器和第二環行器；
第二分路器取出部分泵浦光和探測光，反饋給偏壓控制器，使偏壓控制器控制第一、第二調製器的直流偏置電壓；依次連接的分路器、第一環行器、濾波器和第二環行器提取被放大的探測光，輸入到探測與放大單元，把被放大的探測光轉換為一定電平的電信號。
相比現有的鋼纜應力檢測方法，本發明具有以下優點：
(1)經過緊套處理的光纖既可以像普通鋼絲一樣承受應力、拉力，又可以將鋼纜所受到的應力傳給光纖進行測量；
(2)採用的光纖傳感技術，可以實時的、連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力，從而實現災難預警，同時也為維修帶來了方便，我們可以很方便直接得知道潛在危險的具體位置和程度。
附圖說明
圖1為本發明所述實時連續測量應力變化的方法的流程圖。
圖2為本發明所述實時連續測量應力變化的系統的較佳實施例的示意圖。
具體實施方式
本發明提供一種一種實時連續測量應力變化的方法及系統，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參閱圖1，其為本發明所述實時連續測量應力變化的方法的流程圖。如圖所示，所述方法包括以下步驟：
S1、將緊套方式處理過的光纖放入鋼纜中去取代鋼纜中的一股鋼絲；
S2、通過測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，得到光纖該處所受到的應變大小；從而實時連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力。其可以實時的、連續的檢測鋼纜每一個位置的應力情況並對其進行判斷和預警。
光纖中存在一種稱為布裡淵散射的物理現象，布裡淵散射使在光纖中傳輸的光波發生頻移，頻移量與光纖的密度有關係。當光纖的某處受到拉伸(應變)，該處的密度會發生變化，因而該處的布裡淵散射光的頻移量會發生變化。通過測量光纖某個位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，就可以測量光纖該處所受到的應變大小。這就是利用光纖中的布裡淵散射現象測量光纖所受應變大小的物理基礎。這裡採用緊套的方式處理光纖(會有很多層的處理)，使這一股光纖既滿足普通鋼絲的功能又能進行光纖傳感，然後用這一個光纖去取代鋼纜中的一股鋼絲即可。鋼纜的應用可以非常的廣泛，如橋梁的鋼纜、建築塔吊的鋼纜、電梯的鋼纜。其中，應力的檢測：通過緊套的處理方式，在鋼纜中使得光纖周圍鋼絲的應力可以傳導給光纖，然後通過分析光纖的縱向形變，從而實現應力的檢測。實現判斷和預警：通過檢測的結果，我們可以對每一個位置的應力大小進行判斷，然後可以對超過一定應力小的位置進行預警。
進一步的，所述實時連續測量應力變化的方法中，所述測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化具體包括：脈衝的泵浦光在光纖通過布裡淵散射產生布裡淵增益，探測光通過頻率掃描方式測量布裡淵增益譜，當探測光的頻率與布裡淵增益譜的極大值一致時，得到最大的放大；探測光不同時間掃出的布裡淵增益譜就是光纖不同位置的增益譜，不同時間的增益浦的極大值就是光纖中不同位置的布裡淵散射頻移量，即光纖不同位置的應變大小。
更進一步的，所述實時連續測量應力變化的方法中，所述泵浦光和探測光通過如下方式獲得：頻率為ν0的窄線寬雷射器經過分路器後分為兩路；其中一路依次經過第一調製器和偏振控制器後，變成為脈衝的其偏振方向隨機變化的泵浦光；另外一路經過第二調製器後，產生頻移νB，變成頻率為ν0±νB的探測光。
更進一步的，所述實時連續測量應力變化的方法中，泵浦光與探測光在光纖中相向傳輸，泵浦光在光纖中形成布裡淵增益，當探測光的頻移量調節到布裡淵增益譜，其能量得到最大的放大；提取被放大的探測光，把被放大的探測光轉換為一定電平的電信號；將電信號轉換為數字量，並進行實時累加，提高信噪比；通過通過調製信號源驅動，使頻移量νB可以程序調節；掃描調製信號源的頻率，得到不同的光纖位置的布裡淵增益譜，經過數字算法，最後輸出光纖每一個位置的所受到的應變的大小。另外，還可以通過其實現預警：通過鋼纜的每一個位置的應力的檢測結果，與預先存儲的數據進行比較，對超過一定應力的位置進行預警。至於預警的方式可以根據需要採用多種形式，這裡就不一一贅述了。
本發明還提供了一種實時連續測量應力變化的系統，其包括：
光纖傳感器和緊套方式處理過的光纖；所述光纖傳感器測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，得到光纖該處所受到的應變大小；從而實時連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力。
其中，所述光纖傳感器包括：相互連接的光源模塊和處理模塊。請進一步參閱圖2，在本實施例中，所述光源模塊進一步包括：頻率為ν0的窄線寬雷射器、第一分路器、第一調製器、第二調製器和偏振控制器；頻率為ν0的窄線寬雷射器經過第一分路器後分為兩路；其中一路依次經過第一調製器和偏振控制器後，變成為脈衝的其偏振方向隨機變化的泵浦光；另外一路經過第二調製器後，產生頻移νB，變成頻率為ν0±νB的探測光。另外，所述處理模塊進一步包括：計算機、信號採集與控制單元、探測與放大單元、偏壓控制器和驅動第二調製器的調製信號源；信號採集與控制單元把探測與放大單元輸出的電信號轉換為數字量，並進行實時累加，提高信噪比；計算機同步信號採集與控制單元、偏壓控制器和調製信號源的工作，接收信號採集與控制單元輸出的數位訊號，通過掃描調製信號源的頻率，得到不同的光纖(圖2中，所述光纖採用應變傳感單模光纖，為了描述方便，採用光纖表示，下同)位置的布裡淵增益譜，經過數字算法，最後輸出應變傳感光纖每一個位置的所受到的應變的大小。所述處理模塊還包括：第二分路器、第一環行器、濾波器和第二環行器；第二分路器取出部分泵浦光和探測光，反饋給偏壓控制器，使偏壓控制器控制第一、第二調製器的直流偏置電壓；依次連接的分路器、第一環行器、濾波器和第二環行器提取被放大的探測光，輸入到探測與放大單元，把被放大的探測光轉換為一定電平的電信號。
綜上所述，本發明所述的實時連續測量應力變化的方法及系統，其中，所述方法包括：將緊套方式處理過的光纖放入鋼纜中去取代鋼纜中的一股鋼絲；通過測量光纖相應位置的布裡淵散射光的頻移量的變化，得到光纖該處所受到的應變大小；從而實時連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力。採用的光纖傳感技術，可以實時的、連續的檢測到鋼纜的每一個位置的應力，從而實現災難預警，同時也為維修帶來了方便，我們可以很方便直接得知道潛在危險的具體位置和程度。
應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。