基於光纖傳感技術的水流流向監測傳感器設計

原標題：

光纖光柵水流流向傳感器的設計

摘要：

為了實時監測大跨橋梁建設與運營過程中的水流流向變化,以有效分析和掌控水流對橋墩的衝刷,維護水中墩臺基礎,利用SolidWorks軟體設計了一種基於光纖傳感技術的水流流向監測傳感器。該傳感器由萬向板、凸輪推桿等結構組成,通過將水流的流向轉化成金屬絲的拉壓應變,實現對不定向水流流向的實時監測。利用凸輪推桿機構在拉壓過程中的偏轉角度的不同,能夠實現正負180°流向的區分。對水流流向的理論計算公式進行了合理推導,並進行了室內傳感器標定試驗。結果表明:該傳感器可以實現360°實時在線監測水流流向變化,誤差始終保持在6%以內,具有較高的精度。該傳感器的設計使用能夠為橋梁施工建設和安全運營以及水文環境監測提供技術支撐。

關鍵詞：

水流流向; 光纖傳感; 360°流向;

作者簡介：

鍾志鑫(1996—),男,碩士研究生,主要從事橋梁結構健康監測與傳感器研發。

E-mail:[e-mail];

段君淼(1979—),女,講師,碩士,主要從事橋梁健康監測和智能感知傳感器研發。

E-mail:[e-mail];

基金：

國家重點研發計劃項目子課題(2016YFC0802202-3);

省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室自主課題(ZZ2020-19);

引用：

鍾志鑫，段君淼，張浩，等 . 光纖光柵水流流向傳感器的設計［J］. 水利水電技術，2020，51( 7) : 63-69.

ZHONG Zhixin，DUAN Junmiao，ZHANG Hao，et al. Design of fiber grating water flow direction sensor［J］. Water Ｒesources and Hydro-power Engineering，2020，51( 7) : 63-69.

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0 引 言

隨著我國「一帶一路」與「建設交通強國」戰略的提出,我國在橋梁工程建設領域取得了諸多舉世矚目的成就,如港珠澳大橋、平潭海峽公鐵兩用跨海大橋等,我國橋梁建設事業總體進入歷史上最好發展時期。但大跨橋梁在施工與運營過程中,施工平臺與橋墩基礎都將不可避免的受到水流衝刷等因素的影響,從而出現墩臺基礎動力軟化、材料侵蝕老化等現象,導致結構構件及整體抗力的衰減,影響結構的安全度與耐久度。因此,實時監測水流流向變化,對有效分析和掌控水流對施工平臺和橋墩的衝刷,合理維護水中墩臺基礎,確保施工過程和運營期間的安全具有重要意義。

水流流向的測量方式,最常見的有機械式、熱線式、電磁式、都卜勒光學式、GPS式和放射性同位素式。機械式流向傳感器主要利用流體帶動機械轉子旋轉來測量流向。魏澤文等提出了一種基於電容和壓阻測量的非熱式流向傳感器,但是其靈敏度比較低。王沛雲等研發的流向磁阻傳感器具有高精度、低功耗等特點,但其也因易受電磁環境幹擾而無法大規模應用。日本ALEC 公司和英國 Valeport 公司研製的電磁海流計,可以根據使用環境不同選擇不同結構對水流流向進行測量,但其對被測流體的電導率、磁場分布等要求較高。基於GPS/GPRS 技術的流向測量,主要採用了事後差分處理和實時差分處理技術,但這兩種技術更適合大規模、長距離的流向監測。趙新華等利用同位素,對地下水的流向等運動規律進行測量,但是其不適用於定點監測的研究。近年來,光纖傳感技術以其測量精度高、體積小、不易受外界電磁環境幹擾等優勢,在流體參數識別中得到廣泛應用,逐漸被應用於各類傳感器。然而目前國內外專門針對橋梁衝刷進行定點監測水流流向的傳感器研究較少,這主要是因為水上結構所處水流環境相對複雜,定點監測距離短,流向時刻變化,導致水流流向測量困難。本團隊曾研發了一款可不定向監測水流流速的光纖光柵傳感器,在此基礎上,又首創性地提出了基於光纖光柵傳感技術的水流流向監測傳感器,可為我國橋梁施工建設與安全運營提供技術支持,為水文環境實時監測提供更多技術選擇。

1 傳感器結構及傳感原理

1.1 傳感器結構

本光纖光柵水流流向傳感器由上部、下部結構兩部分組成。上部結構主要有機架底座、凸輪推桿、彈簧、金屬絲等傳感元件,下部主要有萬向板、轉向軸等構成,具體結構如圖1所示。

圖1 流向傳感器結構示意

1—萬向板;2—轉向軸;3—軸承;4—機架底座;5—第一凸輪; 6—支撐架;7—第二凸輪;8—頂蓋;9—橫梁;10—機架護罩; 11—鍵;12—墊環;13—彈簧;14—第一立柱;15—第二立柱; 16—內支柱;17—外支柱;18—第一下邊框;19—第二下邊框; 20—矩形框;21—導向軸;22—光纖;23—接收器;24—金屬絲

1.2 傳感器流向測量原理

1.2.1 萬向板自適應水流

要解決流向不定向問題,傳感器就需要自適應流向的變化。傳感器自適應功能體現在萬向板上,其特點是:萬向板一側固定於轉軸上,可隨轉軸轉動,轉動軸承固定在機架上。工作時轉軸豎直,萬向板在水平面內隨不定水流方向改變而旋轉,萬向板將帶動與它固定的轉軸一起旋轉,待水流流向與萬向板平面平行且由近軸端流向遠軸端時,萬向板最終將處於平衡狀態不再旋轉,否則將繼續旋轉至平衡狀態(見圖2)。待其自我適應後,萬向板便與水流處於同一平面。

圖2 萬向板自適應水流示意

1.2.2 水流流向轉化原理

1.2.2.1 水流流向轉化為轉軸轉向

萬向板與轉軸固接,萬向板在旋轉的過程中,將帶動與它固定的轉軸一起旋轉。由此將流體流向問題轉化成轉軸的轉向問題。

1.2.2.2 轉軸轉向轉化為封閉推桿位移

在轉軸上加裝偏心輪1,以偏心輪1邊緣到轉軸中心的不同距離一一對應轉軸的不同轉向,瞬時偏心輪1隨轉軸順時針轉動時封閉推桿1水平右移(見圖3);待正常工作時轉軸轉向不定,但封閉推桿1隻做圖示位置的左右平動。轉動時偏心輪1將封閉推桿1推到距轉軸中心的不同位移,不同位移對應不同方向。

圖3 凸輪推桿機構測位移

1.2.3 實現360°流向監測

1.2.3.1 偏心輪2和封閉推桿2的設置

單個偏心輪1由於其過轉軸中心存在一個對稱軸,因此只能辨別180°的方向,而在監測過程中傳感器需要做到對水流方向的精確識別,區分水流在某一平面上360°的流向,故增加一個偏心輪2和封閉推桿2,偏心輪2的裝配位置與偏心輪1的裝配位置相差90°(偏心輪1、2的大小形狀相同)。當偏心輪1使封閉推桿1在對稱位置產生位移相同時,偏心輪2使封閉推桿2產生的另一位移可協助區分偏心輪1的對稱情況,如圖4所示。

圖4 偏心輪2偏置90°與封閉推桿2測位移

1.2.3.2 凸輪推桿機構流向轉化原理

傳感器上的兩組偏心輪、封閉推桿機構組成的凸輪推桿機構運動原理如圖5、圖6所示,其在傳感器中的具體位置如圖7所示。O1、O2分別為其轉動中心,兩大小、形狀完全相同的偏心輪圓心分別為O′1、O′2。其裝配情況為:轉軸分別穿過兩偏心輪轉動中心O1、O2,轉軸與偏心輪通過鍵槽中的鍵固定且偏心輪上下分布,中間有墊圈相隔,安裝時偏心輪1與偏心輪2的裝配位置偏轉90°。當偏心輪1分別處於位置1和位置2時,由對稱性可知封閉推桿1分別處於位置1與位置2產生的位移1和位移2是相同的,無法區分1和2兩位置對應的方向,當偏心輪2分別處於位置1與位置2時,明顯位置1使封閉推桿2產生的位移1小於位置2使封閉推桿2產生的位移2,故利用兩位置使封閉推桿2產生位移的差別,區分360°的流向。

圖5 凸輪推桿機構1

圖6 凸輪推桿機構2(裝配位置偏轉90°)

圖7 凸輪推桿和彈簧結構示意

1.2.3.3 封閉推桿位移轉化為光纖光柵應變

彈簧分別連接封閉推桿與機架兩端的金屬絲,光纖光柵粘貼情況如圖8所示,其粘貼在金屬絲上感知梁的拉壓應變,左右兩端各設置兩個金屬絲和3根光纖光柵(其中左側2跟,多設置一根溫度補償光柵),通過測量兩端的光纖光柵波長的變化,實現360°水流流向的監測。

圖8 光纖光柵粘貼

2 流向理論計算表達式

光纖Bragg光柵波長變化量與應變轉化的理論公式如下

式中,Δλ為光纖光柵的波長改變量(nm);λB為光纖光柵原始中心波長(nm);Pε為有效彈光係數,取0.22;ε為被測物應變。

由此變形可以得到

式中,ε1、ε2 分別為金屬絲1、2上所貼光纖光柵測出的應變值;ΔλB1、ΔλB2分別為所貼光纖光柵的波長改變量(nm);λB1、λB2分別為所貼光纖光柵的原始中心波長(nm)。

偏心輪1和2的位置變化如圖9、圖10所示。

圖9 偏心輪1位置變化

圖10 偏心輪2位置變化

由幾何關係得到偏心輪1、2在推桿上所產生的位移

式中,e為偏心輪的偏心距(mm); α為偏心輪轉動的角度(°);X1、X2分別為兩推桿產生的水平位移(mm)。

兩推桿所產生的水平位移理論上等於彈簧的變化量和金屬絲的變化量,故兩金屬絲受到的外力如下

將式(6)和式(4)、式(5)分別代入式(2)和式(3)得

式中,F1、F2分別為兩金屬絲所受彈簧外力(N);K為彈簧剛度(N/mm);l為金屬絲長度(mm) ;E為金屬絲的彈性模量(MPa);A為金屬絲的受力截面面積(mm2)。

式(4)和式(5)中

聯立式(2)至式(10)可得

最後再結合sinα、cosα的正負確定水流流向α的大小。

3 試驗分析

3.1 試驗內容

傳感器利用3D列印技術和精密加工相結的方式進行加工,實物如圖11所示,並採用圖12所示標定方案進行試驗。本試驗採用3個均勻光纖Brag光柵作為應變測試和溫度補償光柵,如表1所列。

圖11 傳感器實物

3.2 數據分析

本試驗採用小波變換對振動信號進行降噪處理,並減去溫度對波長影響的變化量(見表2)。設定水流方向從轉向軸端流向萬向板為0°水流方向,順時針旋轉為正向,對0°～90°水流流向進行重複兩次試驗,90°～360°的測試方法相同。

圖12 傳感器標定試驗方案

3.2.1 測試波長與理論流向的關係

將兩試驗波長數據進行處理,得到波長增量和流向的關係,如圖13所示。

圖13 波長增量與流向關係

由圖13可知,隨著流向的增加,測試光纖光柵的波長增量均逐漸增加,滿足流向在正向0°～90°測量過程中,兩金屬絲均受拉導致波長增加。對於試驗1,在小角度時,波長1的變化量大于波長2;流向逐漸增大時,則相反。對於試驗2,在小角度時,波長1的變化量大于波長2;流向逐漸增大時,波長1的變化量開始小于波長2,但最終仍是波長1的變化量大于波長2。

表1 光纖光柵傳感器參數

表2 光纖光柵流向傳感器測試試驗數據

本傳感器在監測水流流向變化時,左側金屬絲先開始受拉,所以導致波長1的變化量在開始時略大于波長2,後流向逐漸增大時,波長變化量逐漸趨於相同。但由於光纖光柵粘貼工藝和預拉力強度的問題,導致在流向增大到70°～90°時,波長1和波長2的變化量開始趨於不同,存在偏差。

3.2.2 理論與標準試驗值對比

圖14 誤差範圍變化

對試驗數據進行誤差計算,得出誤差百分比如圖14所示。由該圖可知,試驗2的誤差波動比試驗1的偏大,但兩次試驗誤差始終保持在6%範圍內,最大誤差為1.8°,具有較高的試驗精度,且隨著流向變化增大時,誤差逐漸減小。查閱水流流向規範可知,本傳感器的測試誤差符合要求。

3.3 試驗誤差分析

流向標定試驗誤差主要來源於以下幾個方面。

(1)兩個偏心輪間的潤滑度:

兩個偏心輪和2個封閉推桿起著傳導流向的作用,偏心輪之間的潤滑度不夠可能會導致流向傳遞出現阻滯的現象,影響測試的精度。

(2)金屬絲的強度:

本傳感器所用監測光柵粘貼於金屬絲上,若金屬絲的強度不夠均勻,容易導致光纖光柵感知應變變化能力減弱,產生誤差。

(3)光纖光柵的粘貼工藝和預拉力設置:

由於金屬絲既可能受拉也可能受壓,所以光纖光柵將同時感受拉壓應變,需要較高的粘貼工藝和對其設置足夠的預拉力,才能精確反映金屬絲的應變變化。故光纖光柵的粘貼工藝和預拉力強度也是試驗誤差的原因。

3.4 市場常規流向傳感器對比

查閱市場常規流向傳感器的參數(見表3),可知本文所研發傳感器在測量範圍與精度方面具有較強優勢,由於是均勻布拉格光纖光柵作為傳感元件,其不易受外界環境幹擾的優勢得以在本傳感器上得以體現。

表3 流向傳感器參數對比

4 結論與展望

本文研究內容主要是基於光纖光柵傳感技術,圍繞水流流向監測需求,設計了一款可360°監測水流流向變化的新型流向傳感器,對傳感器的監測原理進行了詳細的介紹,並推導了流向的理論計算公式。對設計的傳感器進行了標定試驗,對誤差來源進行了分析,取得了一些有益的研究成果,得出如下結論:

(1)提出的基於光纖光柵傳感技術的水流流向監測傳感器,可實現水流流向自適應監測功能和360°不定向水流流向的測量功能。通過性能標定試驗可知,本傳感器具有較高的測試精度,誤差範圍始終保持在6%以內,滿足實際橋梁等水中結構物所處水流環境水流流向的監測需求。

(2)對試驗誤差來源進行了有效分析,為後期進一步提高傳感器測試精度提供參考。通過對市場常規流向傳感器參數的比較,充分體現了本傳感器的測量優勢。

(3)實際水流環境較複雜,傳感器在監測水流流向過程中,可能受到漂浮物和湍流的影響,引發局部水流擾動而造成水流局部方向發生變化,產生測量誤差。故在後期水流流速流向傳感器的研發過程中,將加入阻尼機構以消除局部擾動引起的水流方向變化,進一步提高傳感器監測精度,以實現高精度的不定向水流流速流向一體化監測。

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水利水電技術

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