目前國內用於錨索、巖石錨杆、錨栓、懸索橋、斜拉橋以及其他重型荷載受力監測的測力計主要是光纖光柵式錨索測力計和磁通量式錨索測力計,對於這兩種測力計的優劣絕大多數橋梁從業者不是很清楚,今天我們就從專業角度來對兩種測力計進行對比。
首先來看光纖光柵式錨索測力計,要了解光纖光柵式測力計需要先明白光纖光柵的作用機理,光纖光柵中具有一種空間周期性的分布特性,其主要通過摻雜不同的光敏成分,讓光纖一端入射的光子能夠與其中摻雜的離子成分進行 相互作用,在光線中形成周期性的空間結構與光學傳輸結構,形成類似 於空間相位周期性調製作用。下圖展示了光纖光柵的內部空間結構與其入射與出射光譜成分進行光學檢測的主要現象:
一般來說,要使光纖光柵產生類似於空間光柵的作用,就需要讓入射光以布拉格衍射角進入,其反射出來的光波長被稱為布拉格波長,其計算的公式為:
λB=2neffΛ
其中,neff表示的是光纖中心部分材料的折射率,而Λ表示的是光纖光柵中空間結構的周期,所以說布拉格光柵出射光的波長由纖芯的折 射率與其空間周期來決定,由於纖芯折射率是固定的,因此光纖光柵空 間周期的變化可以表現出出射光波長的變化,因此上述原理就為研究應 力導致的空間拉伸提供了一條重要的監測方法,這樣光纖的空間拉伸就 可以表現為光波長的變化來進行應力監測。錨杆應力的變化帶來的空間拉伸可以通過光纖光柵中內部周期的變化表現出來,監測人員可以通過出射光波長的漂移來確定錨杆內部應力是否產生了變化。
而光纖光柵式錨索測力計簡單來說就是錨杆應力的變化通過光纖光柵傳感器感應到然後經過光纖光柵解調儀處理數據傳遞到計算機網絡。
技術特點:
1、抗電磁幹擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多,所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁幹擾的影響。
2、電絕緣性能好,安全可靠:光纖本身是由電介質構成的,而且無需電源驅動,因此適宜於在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。
3、耐腐蝕,化學性能穩定:由於製作光纖的材料一石英具有極高的化學穩定性,因此光纖傳感器適宜於在較惡劣環境中使用。
4、體積小、重量輕,幾何形狀可塑。
5、傳輸損耗小:可實現遠距離遙控監測。
6、傳輸容量大:可實現多點分布式測量。
7、測量範圍廣:可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、 電壓、液位、液體濃度、成分等。
磁通量傳感器的測量原理是基於錨索的磁彈效應, 即錨索受到荷載作用,內應力發生變化,引起錨索內部的磁場發生變化,通過測量錨索的磁導率變化,得到索力。
磁通量傳感器結構如圖1所示,主要由初級線圈和次級線圈構成,內置溫度傳感器用於溫度補償。部分型號的實物見下圖。磁通量測試系統見圖3,主要由傳感器和磁彈儀組成,可攜式磁彈儀自身帶有操作平臺及LCD顯示器,能實現多通道測量,可直接操作讀數,也可通過儀器上的通訊接口與計算機系統相連,實現數據自動採集及遠程操控。
b)技術特點
(1)非接觸性測量,不損傷結構;
(2)不需對被測件進行表面處理,不破壞索體原有PE 保護層;
(3)傳感器維護成本低、使用壽命長;
(4)測量精度高、重複性好;
(5)操作簡便可靠;
(6)可實現自動溫度補償,可升級為在線自動監測。
需要強調的是,在大型橋梁的傳感器,尤其是鐵路橋梁上面,需要著重考慮行駛汽車和火車在行駛通過橋梁時會產生大量的磁場,而磁場會嚴重影響磁通量傳感器的測量準確性。
光纖光柵壓力傳感器和磁通量傳感器對比
通過對光纖光柵傳感器與磁通量傳感器原理和技術特點分析可知,由於車輛行駛會產生大量磁場嚴重影響磁通量傳感器的測量精度,橋梁監測用傳感器最好使用光纖光柵傳感器