一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用

摘要

目前，我国的公共交通事业取得了飞速发展。同时也存在许多有待于解决的问题，如交通拥堵、设施质量和智能化监测等。桥梁设施作为交通枢纽的重要部分，由于其长期处在重负荷运载和恶劣环境中，极易引发交通事故。因而，其健康监测越来越受到人们的重视。
　　 在美国，2007年在明尼苏达州明尼阿波利市附近的一座重要交通枢纽桥梁出现了坍塌现象，事故导致13人丧生。如果能采用光纤传感器技术提前对大桥进行监测，那么就会避免这一悲剧的发生。
　　 本课题一种高速高精度光纤传感技术在桥梁监测中的应用，充分运用了光纤传感技术、电子技术和计算机网络技术。成功地改进了一种ADC高速高精度电路，解决了监测系统的精度问题;又把马赫-曾德尔干涉仪技术用于光纤中数据的传输和接收实验，大大提高了系统的速率;最后应用计算机软件技术和网络技术把以上技术相结合，设计出了一套完整的光纤传感监测桥梁健康状况的方案。
　　 理论方面介绍了光纤传感器的原理和光纤传感技术的特征，主要解决了PipelinedADCs电路的前置采样保持端的电路改进。原则上精度可以从10bit提高到13bit，而采样频率提高到100MHz。通过改进自举开关电路，套筒式增益，开关电容反馈电路，从理论上实现这一课题。
　　 在实践上，叙述了桥梁健康监测工程的背景和实际意义。接着讲述了整套系统的组成:传感器子系统，主要应用光纤光栅传感器，采用分布式或准分布式结构，通过光纤复用技术进入到下一级电路中;数据采集传输子系统，主要依赖于光纤性能的传输，采用服务器对光纤采集的信号进行存储或进行信号处理;数据分析与评价系统，对上级服务器上传来的数据进行信号处理，按照规范得出结论。在数据分析的过程中，成功地应用了软件技术和数字信号处理技术，来判断出大桥的健康状况，并且可以通过因特网把结果实现远距离传输。最后介绍了桥梁传感器的施工情况，按照桥梁的结构合理布局传感器，并且结合实际数据进行了案例分析。
　　 在应用前景方面，国内外都比较重视道路基础性建设，尤其是安全问题。本课题的应用研究，也结合了国内外的相关领先技术，在公共交通桥梁监控方面也取得了一定的成果。这项技术基于传感技术和计算机网络技术，如果能在技术上加以突破，实现超过500千米的监控，开发出更加有意义的传感器及降低生产运行成本。它的投入将占有很大的市场，同时也确保了桥梁设施，在日常生产和人们生活中安全可靠运行。