任小芳,賈 棟,趙 輝*,王 高,張志偉

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中國(guó)電信太原分公司,太原 030012)

?

基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究*

任小芳1,賈 棟2,趙 輝1*,王 高1,張志偉1

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中國(guó)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(shù)和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。通過(guò)基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)技術(shù)和LabVIEW相結(jié)合的方法,設(shè)計(jì)了古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了干涉儀信號(hào)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(yù)警等功能,不僅能夠避免光源強(qiáng)度與干涉條紋對(duì)比度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,而且操作簡(jiǎn)單,設(shè)備成本低。設(shè)計(jì)了光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)性能,結(jié)果表明相位變化與應(yīng)變呈良好的線(xiàn)性關(guān)系,測(cè)量誤差為1.4%。

光纖光柵;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);古建筑;LabVIEW;對(duì)稱(chēng)解調(diào);M-Z干涉儀;應(yīng)變

光纖光柵傳感作為一種新型的傳感技術(shù),由于其靈敏度高,動(dòng)態(tài)范圍大,抗干擾能力強(qiáng),重量輕,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],已被廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩等諸多土木工程領(lǐng)域。目前,應(yīng)用于古建筑上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)較少[2]。2004年,史學(xué)濤[3]等采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)“上海大世界”的結(jié)構(gòu)裂縫。2005年,陸錚為了解上海市“沉香閣”木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的變形情況,將光纖光柵傳感器安裝到閣內(nèi)梁、柱的臨時(shí)支撐上來(lái)驗(yàn)證臨時(shí)支撐作用的有效性[4]。光纖光柵傳感技術(shù)還未廣泛應(yīng)用于古建筑的健康監(jiān)測(cè)方面,其中一個(gè)重要的原因就是傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法在精度、穩(wěn)定性和直觀顯示方面達(dá)不到理想的效果,并且操作復(fù)雜,設(shè)備成本高。

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大,探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)古建筑結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),掌握古建筑的健康狀況,預(yù)防突發(fā)情況,本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)方法并結(jié)合LabVIEW做編程開(kāi)發(fā),對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和頻譜分析,實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形的直觀顯示、預(yù)警以及變化量的跟蹤顯示,并設(shè)計(jì)光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)性能,結(jié)果表明相位與應(yīng)變呈良好的線(xiàn)性關(guān)系,系統(tǒng)誤差可達(dá)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(diào)原理介紹

基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)原理如圖1所示。光纖光柵接收到ASE寬帶光源發(fā)出的光,返回符合光波反射特性的窄帶光,并進(jìn)入M-Z干涉儀,將波長(zhǎng)信號(hào)調(diào)制為相位信號(hào),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(fā)生干涉,將相位信號(hào)調(diào)制為三路光強(qiáng)信號(hào),根據(jù)3×3耦合器的光學(xué)傳輸特性可知,這三路輸出兩兩之間有2π/3的相位差,再經(jīng)過(guò)光電探測(cè)電路,輸出三路電壓信號(hào)[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(duì)比度。根據(jù)干涉儀相位與反射光中心波長(zhǎng)的關(guān)系[6],即

(4)

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

(5)

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

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要是對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度和位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。外力是引起結(jié)構(gòu)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(yīng)變的影響,因此公式變?yōu)?/p>

(6)

對(duì)于石英光纖,經(jīng)理論計(jì)算得[8]

(7)

結(jié)合式(4)和式(7),可推導(dǎo)出

(8)

由式(8)可知相位與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系。只要解調(diào)出φ(t),就能得到相應(yīng)的應(yīng)變值。

2 LabVIEW解調(diào)原理及編程實(shí)現(xiàn)

古建筑所處環(huán)境的復(fù)雜性以及產(chǎn)生應(yīng)變因素的多樣性,決定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須誤差小、精度高。本文采用對(duì)稱(chēng)解調(diào)法處理干涉儀的輸出信號(hào)[9]。這種方法能夠去除光強(qiáng)與干涉條紋對(duì)比度對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響,直接解調(diào)出相位變化φ(t),避免了光源不穩(wěn)定帶來(lái)的附加誤差,并且穩(wěn)定可靠,很大程度上提高的系統(tǒng)的精確度。解調(diào)原理如圖2所示。

圖2 對(duì)稱(chēng)法解調(diào)原理圖

首先消除直流分量的影響,將3個(gè)信號(hào)求和,可得

(9)

再分別與3個(gè)輸入信號(hào)相加,只剩下交流分量。并對(duì)交流分量分別求導(dǎo),同時(shí)對(duì)交流分量和另外兩個(gè)信號(hào)的導(dǎo)數(shù)差做乘積運(yùn)算,所得結(jié)果求和,最終得到和干涉條紋對(duì)比度有關(guān)的式子UN

(10)

為了去除干涉條紋對(duì)比度A的影響,將每一路信號(hào)平方并求和,可得UD

(11)

將兩個(gè)信號(hào)做除法運(yùn)算,消除因子A

(12)

(13)

因此,通過(guò)以上一系列的運(yùn)算可以直接解調(diào)出相位信號(hào)。

數(shù)據(jù)分析與處理是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心,直接影響著測(cè)試結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。LabVIEW軟件代替了傳統(tǒng)的儀器設(shè)備,能夠節(jié)約成本,并且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[10]。在本系統(tǒng)中,光電探測(cè)電路之后的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波和放大,由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絃abVIEW軟件平臺(tái)。系統(tǒng)采用具有大容量SDRAM板載緩存的拓普數(shù)據(jù)采集卡UDAQ-20612作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。采集和處理流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

通過(guò)設(shè)備的初始化,確保LabVIEW能夠搜索到采集卡,同時(shí)獲取采集卡信息,在啟動(dòng)采集之前,根據(jù)具體情況設(shè)置采集的相關(guān)參數(shù),然后進(jìn)行采集、處理、保存數(shù)據(jù)等操作。根據(jù)信號(hào)解調(diào)原理,在程序面板編寫(xiě)解調(diào)程序,如圖4所示。

圖4 解調(diào)程序圖

環(huán)境引起的建筑振頻主要在100Hz以下[11]。為了降低系統(tǒng)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下對(duì)系統(tǒng)做頻譜分析,如圖5所示,噪聲主要集中在100Hz附近。因此系統(tǒng)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(shè)置了游標(biāo)跟蹤,能夠方便清晰的顯示當(dāng)前幅值的變化量?！豆沤ㄖ拦I(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)不同建筑物規(guī)定了不同的疲勞極限[12],針對(duì)這一點(diǎn)系統(tǒng)采用閾值門(mén)限算法,一旦超過(guò)設(shè)定值便會(huì)發(fā)出警報(bào)。整個(gè)軟件的界面如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)了光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線(xiàn)性度分析以及精度的測(cè)量,測(cè)試系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)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(zhǎng)約1cm,中心波長(zhǎng)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(zhǎng)15cm。一端固定在試驗(yàn)臺(tái)上,另一端放置不同質(zhì)量的砝碼,根據(jù)懸臂梁力學(xué)原理[14],懸臂梁表面某點(diǎn)的形變與自由端所加的砝碼質(zhì)量線(xiàn)性相關(guān),因此可通過(guò)相位變化和質(zhì)量的關(guān)系來(lái)判斷其與應(yīng)變的關(guān)系。光纖光柵應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)原理圖和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)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(fù)測(cè)量得到相應(yīng)相位幅值變化量,所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

圖8是通過(guò)origin對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到的質(zhì)量-相位變化關(guān)系圖,相應(yīng)的擬合曲線(xiàn)表達(dá)式為

y=0.038 44x+0.105 78

(14)

圖8 質(zhì)量-相位變化關(guān)系圖

圖9 阻尼振動(dòng)

擬合線(xiàn)性度為0.989 24。從圖8可以看出,相位變化和質(zhì)量表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性關(guān)系,靈敏度為0.038 44rad/g,由此可知,相位與應(yīng)變同樣線(xiàn)性相關(guān)。同時(shí)為驗(yàn)證公式的正確性,再次放置70g的砝碼,并使鋸片產(chǎn)生阻尼振動(dòng),如圖9所示。讀取相應(yīng)幅度變化量為2.76rad。通過(guò)式(14)計(jì)算得到相應(yīng)質(zhì)量為69.048 3g,測(cè)量誤差為1.4%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于3×3耦合器的M-Z干涉對(duì)稱(chēng)解調(diào)法,結(jié)合LabVIEW編程開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、信號(hào)的跟蹤顯示、頻譜分析以及警報(bào)等功能。通過(guò)光纖光柵應(yīng)變傳感實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的性能,實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)單,相位與應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性性,測(cè)量誤差為1.4%,達(dá)到了較理想的效果。為進(jìn)一步在古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)踐應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1]孫金露,苗長(zhǎng)云,張搖誠(chéng),等.陣列波導(dǎo)光柵波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(11):1543-1547.

[2]王娟,楊娜,楊慶山.適用于遺產(chǎn)建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(1):100-104.

[3]史學(xué)濤.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

[4]陸錚.光纖光柵用于木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].住宅科技,2005(11):25-28.

[5]李東,王志懷,曾文鋒,等.基于3×3耦合器的非平衡光纖Mach-Zehnder干涉儀傳輸特性研究[J].激光與紅外,2010,40(8):884-886.

[6]饒?jiān)平?王平,朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006:168-176.

[7]馮艷,李玉龍,徐敏,等.基于金屬化光纖光柵的溫度應(yīng)變同時(shí)測(cè)量[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(11):1503-1506.

[8]孟克.光纖干涉測(cè)量技術(shù)[M].黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2008:126-128.

[9]Jiang Yi.Stabilized 3×3-Coupler-Based Interferometer for the Demodulation of Fber Bragg Grating Sensors[J].Optical Engineering,2008,47(1):1-6.

[10]皇甫曉洪,劉月明,劉濤,等.基于虛擬儀器的高溫壓力管道光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(3):47-49,57.

[11]李克飛,劉維寧,劉衛(wèi)豐,等.交通振動(dòng)對(duì)鄰近古建筑的動(dòng)力影響測(cè)試分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(1):79-83.

[12]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 50452—2008 古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[13]周智,歐進(jìn)萍.用于土木工程的智能監(jiān)測(cè)傳感材料性能及比較研究[J].建筑技術(shù),2002,33(4):270-272.

[14]丁騰蛟.基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的大量程光纖Bragg光柵位移傳感器[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

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(yùn)城,碩士研究生,主要從事光纖傳感和信號(hào)處理方面的研究,zhuoyi0326@163.com;

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

王 高(1973-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。國(guó)際IEEE Photonics,IEEE Instru-mentation and Measurement會(huì)員。Journal of Measurement Science and Instrumen-tation副主編。天津大學(xué)博士后。從事太赫茲光譜學(xué),非線(xiàn)性光學(xué),特種傳感器研究。

項(xiàng)目來(lái)源:山西省青年科技研究基金(2012021013-5);山西省自然科學(xué)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