分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于长距离结构设施的测量、健康检测和监测的最可能经济的高精度自动化监控系统，具体涉及一种分布式光纤光栅传感器长距离自动测量、监控、预警系统。
【背景技术】
[0002]分布式单纤或多纤的光纤光栅传感器监测系统，是一种用于长距离结构设施的健康检测和监测的最可能经济的高精度自动化测量监控系统。目前，国内外，尚没人开发研究出真正实用的分布式光纤光栅传感器自动化测量监控系统，其问题，除了光纤自身的缺陷外，主要存在较难解决的实用使用技术。
[0003]首先，分布式光纤光栅传感器的位置定位存在误差，光纤光栅调制解调仪设备的传感器定位误差，高达0.5米?3米以上，因此，无法确定传感器节点的三维坐标，以达到毫米或以下级别的测量精度要求。
[0004]其次，目前并没有找到传感器的三维坐标定位的方法，原因是采用每通路分布式光纤光栅传感器，仅仅简单的沿被监测体直行布置，没有将各传感器布置成几何体或几何面，不能对每个测点进行准确的定位，无法适应地铁隧道的测量及监控的需求。
[0005]现有分布式光纤光栅传感器系统:由于没有研究透和充分发掘系统的作用，只能测量传感器两端点间的应力、应变、温度；不能给出各端点的三维坐标，因此在地铁隧道的测量监控中，不能取代人工测量；目前，应用较多的，除了广泛用于温度的监控外，大都利用光纤光栅可以精确测定传感器的应变的特性，用于计算传感器两端点的，沿传感器方向的一维坐标相对位移，并且不能计算出端点的一维坐标值。
[0006]以前，地铁隧道的运营测量监控，只能利用晚上地铁停运后，由人工进入隧道进行地铁隧道的测量监控，由于人为的疏忽，上海地铁曾发生可以避免的事故。随着新技术的应用及现代化管理需求，上海地铁运营监控逐步过渡到自动化，但目前运用的技术，多为智能型全站仪，一般精度为土(5mm+5ppm)，还有倾角仪等技术。一般现有技术，投资大，或测量内容不全面，往往需要人工辅助测量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，提供一种能对分布式光纤光栅传感器的节点进行三维坐标精确定位的自动测量监控预警系统。
[0008]为解决上述技术问题，本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，包括由一个或多个测量回路组成；其中每个所述测量回路是由传感器组成空间结构体所形成的空间体测量回路，或由传感器按平面几何布置形成平面测量回路；所述传感器相互连接形成超静定或静定结构体或平面超静定或静定结构测量面，所述传感器上的节点固定在被测体上形成测点群；根据各个所述传感器的应变及初始长度，计算所述空间体测量回路内所述测点群中每个测点的三维坐标、或计算平面测量回路内所述测点群的平面内二维坐标；所述测量回路沿隧道纵向布置，与地面测点形成闭合测点网，用于测量隧道内所述测点群的三维坐标或二维坐标。本发明的特征在于，充分发挥光纤光栅传感器可以高精度测量测点之间应变的优势，将多数所述测点与2个以上的传感器相连接，可以计算测点的坐标，提高测点坐标计算的冗余度，降低系统造成的测量误差。
[0009]优选的，所述空间体测量回路可以计算所述测点群的三维坐标。
[0010]优选的，所述平面测量回路可以计算所述测点群的测量平面内的二维坐标。
[0011]优选的，所述平面测量回路竖向布置、水平布置或倾角布置；其中在水平布置或倾角布置时，所述平面测量回路上加装光纤光栅静力水准仪，用于测量所述测点的平面外坐标或变位。
[0012]优选的，多个所述传感器交叉布置形成超静定或静定平面几何结构的测量面，根据各所述传感器的应变及初始长度计算所述测量断面内的每个所述传感器节点的二维相对坐标。
[0013]优选的，所述测量面内的所述测点多数与多于2个所述传感器相连接。
[0014]本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统的测量回路的测点群与地面测点形成一个闭合测量网，通过测量回路内各测点间的应变及初始长度，可以通过多维线性方程组矩阵及已知边界，计算每个测点的三维坐标。根据隧道管片的刚性假定，可以推算隧道的收敛等。本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统的测量断面内的所有测点，通过测量断面内各测点间的应变及初始长度，可以通过多维线性方程组矩阵，计算所有所述测点的断面内的二维相对坐标。由于隧道管片的刚性假定，并不完全属实，因此，可通过本发明的所述测量断面，精确计算隧道断面的变形曲线。
【附图说明】
[0015]图1为本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统测量回路布置不意图；
[0016]图2为本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统传感器布置示意图；
[0017]图3为本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统空间结构传感器布置剖面示意图；
[0018]图4为本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统测量断面内传感器交叉布置部分示意图；
[0019]图5为本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统最佳实施例方案示意图。
[0020]本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统附图中附图标记说明:
[0021]1-空间体测量回路2-平面测量回路3-传感器
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统作进一步详细说明。
[0023]如图1所示，在隧道断面，选取一定的合适位置，布置一条或多条测量回路，通常有一条测量回路为空间体测量回路1，贯通整个隧道纵向，与地面测点形成闭合测点网，用于计算测量网上每个测点的3维坐标。其中两个平面测量回路2，用于测量隧道中间管片与底部管片的夹角变位，根据管片的刚性假设，可以计算整个隧道所有断面的收敛等。对于高铁系统，仅仅沿轨道设置一个水平的平面测量回路2，即可计算轨道的水平面内的位移，部分测点，加装静力水准仪，即可测量轨道的竖向位移。
[0024]图2是最简单的平面结构测量回路的传感器3布置示意图，是一个静定结构，便于逐个节点传递计算。实际应用中，往往采用超静定结构，以便节点位移互校，提高系统的可靠性，降低累计误差，提高系统测量精度。
[0025]图3是由三个平面测量回路2组成的空间体测量回路I剖面图。在优选的实施方案中，采用了两个平面测量回路2 (就是去掉三角形的其中一条边)，并将两片平面回路交点水平传感器3合并，根据论证，基本满足测量要求。
[0026]图4给出了隧道断面精确变形测量的部分传感器3布置示意图，根据测量及科研的需求，有时就不能假定隧道管片是刚性的，管片的刚性假设，只能是粗略的计算，因此，往往需要计算隧道的准确变形。
[0027]图5为本发明的优选的，工艺简单、实用的监控方案示意图。其特点是施工简单，造价最低，不必设置所述测量断面。隧道中间管片的变形状况，由一个目前常规使用的独立传感器3观测，根据管片两端铰接及管片均匀变形的假定，可以推断管片的变形状况及刚性假定的准确性。根据三个平面测量回路2的空间相关、管片的半刚性假定、及所有测点的坐标相关性，可以计算整个隧道测点群的空间坐标。
[0028]以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
【主权项】
1.分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，包括由一个或多个测量回路组成；其中 每个所述测量回路是由传感器组成空间结构体所形成的空间体测量回路，或由传感器按平面几何布置形成平面测量回路； 所述传感器相互连接形成超静定或静定结构体或平面超静定或静定结构测量面，所述传感器上的节点固定在被测体上形成测点群；根据各个所述传感器的应变及初始长度，计算所述空间体测量回路内所述测点群中每个节点的三维坐标、或计算平面测量回路内所述测点群的平面内二维坐标； 所述测量回路沿隧道纵向布置，与地面测点形成闭合测点网，用于测量隧道内所述测点群的三维坐标或二维坐标。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，其特征在于，所述空间体测量回路可以计算所述测点群每个测点的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，其特征在于，所述平面测量回路可以计算所述测点群的平面内的二维坐标。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，其特征在于，所述平面测量回路竖向布置、水平布置或倾角布置；其中 在水平布置或倾角布置时，所述平面测量回路上加装光纤光栅静力水准仪，用于测量所述测点的平面外坐标或变位。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，其特征在于，多个所述传感器交叉布置形成超静定或静定平面几何结构的测量断面，根据各所述传感器的应变及初始长度计算所述测量断面内的每个所述传感器节点的二维相对坐标。
【专利摘要】本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，包括由一个或多个测量回路组成；其中每个测量回路是由传感器组成空间结构体所形成的空间体测量回路，或由传感器按平面几何布置形成平面测量回路；传感器相互连接形成超静定或静定结构体或平面超静定或静定结构测量面，传感器上的节点固定在被测体上形成测点群；测量回路沿隧道纵向布置，与地面测点形成闭合测点网，用于测量隧道内测点群的三维坐标或二维坐标。本发明的测量回路的测点群与地面测点形成一个闭合测量网，通过测量回路内各测点间的应变及初始长度，可以通过多维线性方程组矩阵及已知边界，计算每个测点的三维坐标。
【IPC分类】G01B11-00, G01B11-16
【公开号】CN104807396
【申请号】CN201410032163
【发明人】宋启宽, 宋戈
【申请人】宋启宽, 宋戈
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2014年1月23日