应变在线监测系统

应变在线监测系统

整体解决方案

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2011年12月11日 杭州珏光物联网科技有限公司

修正记录

本 日期 2011-12-11 描述 初稿 作者 董大銮

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解决方案 ................................................... 错误!未定义书签。 关键硬件设备的技术指标及产品特点 ........................... 错误!未定义书签。

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光纤光栅解调仪 ........................................ 错误!未定义书签。 光纤光栅应变传感器 .................................... 错误!未定义书签。 光纤光栅温度补偿应变传感器 ............................ 错误!未定义书签。

传感器分布 ................................................. 错误!未定义书签。 传感器安装 ................................................. 错误!未定义书签。

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钢材料连接 ............................................ 错误!未定义书签。 混泥土连接 ............................................ 错误!未定义书签。

FBG在线实时监测系统 ....................................... 错误!未定义书签。

简要说明 ............................................... 错误!未定义书签。 功能说明 .............................................. 错误!未定义书签。

主页 ............................................ 错误!未定义书签。 拓扑结构 ........................................ 错误!未定义书签。 实时数据 ........................................ 错误!未定义书签。 历史数据 ........................................ 错误!未定义书签。 报警信息 ........................................ 错误!未定义书签。 物理量计算 ...................................... 错误!未定义书签。

1 解决方案

塔架结构状态在线监测系统主要由珏光科技生产的JPFBG-1000光纤光栅解调仪、JPFBGT-300H光纤光栅温度传感器、JPFBGS-200TH光纤光栅表面应变计等光纤光栅产品，和珏光科技FBG在线实时监测软件系统组成。系统部署中还需配备必要的网络环境、以及服务器等等。典型的光纤光栅传感系统如下图所示：

监控室 光缆 路由器 监测现场 光纤接续盒 光纤光栅解调仪 光纤光栅传感器 服务器 光纤光栅传感器 图1： 光纤光栅系统组成

关键硬件设备的技术指标及产品特点

2 关键硬件设备的技术指标及产品特点

根据具体塔架要求，该系统的硬件清单如下表所示：

编号 1 器件 光纤光栅解调仪 型号 JPFBG-1100 数量 1台 指标 1. 通道数量：16 2. 频率： 3. 波长范围：1525～1565nm 4. 精度：±5pm 5. 分辨率： 1pm 6. 扫描方式：所有通道并行扫描 7. 光学接口：FC/APC 8. 通信接口：100M以太网 9. 报警方式：短信报警，继电器报警 9. 电源：交流220V/50Hz 10. 工作温度：-10℃～＋50℃ 11. 存储温度：-20℃～＋60℃ 12. 功耗：＜10W 13. 电池使用时间 12小时 14. 重量：3kg15. 外形尺寸：（L）482X（W）300X（H）mm 2 光纤光栅温度补偿应变传感器 JPFBGTS-260H 12个 温度量程 ：-50～300℃，测温精度：±℃，分辨率：℃。 应变量程： ±2000με； 测量精度% FS; 环境温度： -40-300℃ 3 光纤光栅表面应变计 JPFBGS-250TH 72个 量程： ±2000με； 测量精度% FS; 环境温度： -40-300℃ 4 光缆 1000米 芯数和主机的通道数相匹配（按实际使用长度计算） 5 服务器及显示器 DELL PowerEdge R710(Xeon E5506/2GB/300GB)； 服务器的价格变化很大， 根据计算要求而定。本方案建议的服务器是能到达计算要求的。客户可以自购， 如果市场价格有变化， 我们将另做调整。 6 7 防火墙及路由器 机柜 4U标准机柜，用于安放主机及工控机及显示器等； 最好是有机柜， 根据客户而定。

2.1 光纤光栅解调仪

图2： 珏光科技光纤光栅解调仪JPFBG-1100外形

珏光科技光纤光栅解调仪网络一体机是结合当今最先进的光纤技术、电脑技术及信号处理技术

研发成功的；系统采用模块式设计，方便客户根据不同需求、工程特点配置适合的测量通道、软件功能；系统关键部分没有易损配件，具有可靠性高、使用方便等优点。 产品特点：

可靠性高：高度集成，没有可移动的光学组件；

检测高效精确：实现绝对测量，检出量为波长信息，检测频率可达到5KHZ/S；波长无需校准，范围可宽至80nm；采用波分复用技术，易于实现分布式测量；信号不受光强影响，抗干扰能力强；

波长解调精度为±5pm；分辨率 1pm；

机内配有网络数据采集服务器， 可以向远处服务器自动更新采集数据， 有相应的软件接口可供第三方开发；

支持TCP/IP网络设置，系统可以远程设置， 易于管理；

关键光纤光栅波长解调器件符合美方标准 MIL-STD-810 《国防部试验方法标准环境工程考虑和实验室试验》；

软件易于升级定制：产品还可根据客户实际需要定制软件接口或扩展硬件接口。

2.2 光纤光栅应变传感器

图3： 珏光科技光纤光栅应变传感器

JPFBGS-250TH光纤应变传感器是珏光科技自主研发的纤传感器，产品利用紫外光通过掩膜光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率的永久性变化，形成布拉格光栅；在受到温度或应力应变变化时，光栅的栅距同时发生变化，从而精确地测量温度或应变。该传感器需要抵消温度产生的影响。

产品特点：

稳定性好、可靠性高；

光栅本身采用切趾技术，中心波长稳定、光栅边模抑制比高； 采用无胶封装技术先进， 可在300℃下正常工作； 灵敏度高，可达 1~ pm/με

2.3 光纤光栅温度补偿应变传感器

图3： 珏光科技光纤光栅温度补偿应变传感器

JPFBGS-260TH光纤应变传感器是珏光科技自主研发的纤传感器，产品利用紫外光通过掩膜光栅照射到裸光纤上，引起裸光纤纤芯折射率的永久性变化，形成布拉格光栅；在受到温度或应力应变变化时，光栅的栅距同时发生变化，从而精确地测量温度或应变。内置两个FBG传感器， 可以有效地抵消温度对应变的影响。

产品特点：

稳定性好、可靠性高；

光栅本身采用切趾技术，中心波长稳定、光栅边模抑制比高； 采用无胶封装技术先进， 可在300℃下正常工作； 灵敏度高，可达 1~ pm/με

应变测量的计算公式：

JPFBGS-260TH的应变计算公式如下：

公式中：

为传感器系数； 本传感器系统为.。

为应变传感器FBG的波长变化

为应变传感器FBG的波长初始值

为在温度为22℃时的传感器温度灵敏度； 为×

为温度补偿传感器FBG的波长变化

为温度补偿传感器FBG的波长初始值

为被测量物的热膨胀系数

为传感器的热膨胀系数， 为

3 传感器分布

整个系统一共使用82个传感器，每一个应变传感器测量范围为±2000με，其中12个传感器是带温度补偿应变传感器。实际上相当于94个的光纤光栅传感器，每2个传感器之间波长间隔为4ns。每个通道安装5~8个传感器。一共需要13个通道。

层号 通道 传感器个数 波长分布 一 1 2 3 8 8 8 8 8 8 8 7 7 5 5 7 7 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1557每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1553每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1553每隔4ns一个传感器 1529 ~ 15每隔4ns一个传感器 1529 ~ 15每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1553每隔4ns一个传感器 1529 ~ 1553每隔4ns一个传感器 三 4 5 五 6 7 八 8 9 十 十一 十二 10 11 12 13 4 传感器安装

4.1 钢材料连接

1. 先用砂纸清洁目标表面。

2. 将传感器放置在目标表面上，并用胶纸粘牢传感器两端。 3. 使用电焊机，焊接传感器4个固定点。

4. 等待几分钟， 撕除固定用的胶纸，传感器安装完毕。

4.2 混泥土连接

1. 先用冲击钻打直径8mm的孔，一般4只孔（与应变计的固定孔尺寸匹配）。 2. 安装直径6mm的膨胀螺栓，并拧紧。

3. 安装传感器。

需要增加图片形象地表示

5 FBG在线实时监测系统

5.1 简要说明

FBG桥梁在线实时监测系统是珏光科技自主开发的软件系统， 它是基于B/S架构的软件系统， 集成了Microsoft Silverlight技术、SQL数据库系统， .等最新技术开发的物联网工程管理软件平台， 它可以管理多台光纤光栅解调仪。 可以远程查询结果，服务器软件系统自动运行与后台，可自动接收采集仪的数据，对采集的波长值进行物理量计算，对异常的计算结果自动进行报警，并将计算结果以及报警结果保存在数据库中。

通过在线系统查看实时的计算结果，历史结果，报警信息。可以查看整个系统的传感器部署的拓扑结构。导出和打印数据。

图4. 软件架构图

该系统可以根据客户的需求进行定制， 可以扩展如下的功能：

1） 可以增加CAD技术 2） 可以实现C/S架构

3） 可以与视频监控系统无缝连接。

5.2 功能说明

5.2.1 主页

以图形化显示各个测点的数值。如下图：

其中左侧应变：传感器发生故障导致无测量结果。以红色表示。 左侧温度正常，以绿色表示。

图5. 软件界面图

5.2.2 拓扑结构

拓扑结构直观可以显示各个设备的每一个通道布置图，以及每一个通道测点的实时测值。如下图: 当前通道接了2个传感器（左侧温度和左侧应变）。鼠标放置于左侧温度上面后， 可以显示实时结果。根据报警条件，左侧温度是正常（绿色表示）；而左侧应变发生了报警（红色表示），具体报警信息在[报警信息]中查看。

5.2.3 实时数据

动态刷新并显示各个传感器最新的物理量数值。 可以到处支持导出和打印。

5.2.4 历史数据

查询显示各个传感器的历史数值。支持导出和打印。根据查询的结果，绘制每一个物理量随时间变化的过程线。

5.2.5 报警信息

查询显示各个报警信息数据。如下图：

其中前面4个测点，由于数据丢失导致的报警。最后一个测试测点，温度值过高导致的报警。

5.2.6 物理量计算

在系统配置的项目设置中，可以对物理量的计算公式进行设置。在监测系统会自动根据公式，进行物理量的计算。举例如下： 配置温度：

配置应变：

上面公式中的a，b，c值都可以在配置具体传感器的时候，设定的值。表示对应的温度计测量的当前波长值, 表示对应的温度计的中心波长值。