一种桥梁裂缝监测预警系统与预警方法与流程

本发明属于桥梁裂缝监测领域，具体涉及一种桥梁裂缝监测预警系统与预警方法。

背景技术：

桥梁裂缝检测方法包括有损检测和无损检测，现在常用的桥梁裂缝无损检测方法主要有以下几种：

一、超声波检测法

超声波法用于非破损检测，就是以超声波为媒介，获得物体内部信息的一种方法。目前超声法己应用于医疗诊断、钢材探伤、鱼群探测等许多领域。在这些领域里，由于组成颗粒小密度大，密度分部也很均匀，所以声波能很好地传播，对其内部缺陷及其位置等都能准确地检测出来。超声波检测的优点是可以测得混凝土内部的微损伤，但是其最大的缺点是不能实现实时监控；

二、冲击弹性波法

一般把弹性体内传播的波总称为弹性波。用人工发射弹性波到弹性体内，探测弹性体内的状态是广义的弹性波探测法。冲击弹性波法与超声波法的原理是一样的，但远比超声波测定的裂缝深度深。但是冲击弹性波法只能检测扩展方向与表面成直角，没有分支的单纯裂缝，这个局限性使其使用受到了一定的限制。

三、声发射(AE)检测法

声发射(Acoustic Emmission)法也是利用弹性波进行声学检测的具体检测方法。用AE检测裂缝，和其它方法最大的不同是只能检测正在发生的裂缝，不能检测已发生的旧裂缝。对正在发生的裂缝可检测裂缝发生的位置(声发射源定位)，裂缝的大小、扩展情况和种类以及裂缝的深度等。

四、摄影检测法

摄影检测法主要用作调查混凝土表面的裂缝。摄影法包括普通照相机、录象机、放射线、红外线摄影等进行检测。但是其缺点是测量精度受图像处理技术的限制，难以做到十分精确；同时摄影检测法也不易做到实时监测；

五、传感仪器监测

利用埋设在混凝土中的仪器进行裂缝监测。常规技术是利用卡尔逊式或弦式测缝计，其控制范围仅0.2-1m。但是这属于点式检测。由于裂缝出现的空间随机性，因此往往漏检。为了及时、无遗漏地监测裂缝，必须实施大范围的、连续、分布式监测,即所谓全分布监测，但其造价往往过大，难以得到推广。

综上所述，如何组建大型的监测网对特定桥梁的重要部位实时有效的监测是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种桥梁裂缝监测预警系统与预警方法，该预警系统与预警方法智能化程度高，能够对桥梁关键部位裂缝的生长发育状况进行实时监测，并且实时发出预警。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种桥梁裂缝监测预警系统，包括信号采集模块、数据处理模块和供电模块；所述信号采集模块与数据处理模块保持通信；所述供电模块为信号采集模块和数据处理模块提供电源；

信号采集模块包括多个光纤传感器和多个监测终端；所述监测终端通过数据采集系统与光纤传感器相连接；

数据处理模块包括数据集中器，所述数据集中器与网关和终端服务器保持通信。

进一步，上述光纤传感器包括多根互相并联的导光光纤；所述导光光纤一端安装有连续光发射器，另一端安装有脉冲光发射器；所述脉冲光发射器与导光光纤之间设置有数据采集系统。

进一步，上述监测终端包括数据采集系统、控制器、损伤识别系统和485通信；

所述数据采集系统用来采集信号数据；

所述控制器控制脉冲光发射器和连续光发射器发射指定频率的脉冲光和连续光，同时控制器还通过数据采集系统接收信号数据；

所述损伤识别系统用来识别数据采集系统所采集的信号数据，并判断该信号数据是否超过设定的阀值，若超过阀值则启动485通信将该信号传输至网关，若未超过阀值则不启动485通信。

进一步，上述网关包括本地无线收发器、控制器和485通信；所述控制器通过485通信与多个监测终端相连，控制器接收监测终端传来的信号并经由本地无线收发器向数据集中器发送信号数据。

进一步，上述数据集中器包括透传GPRS系统、数据存储系统、预警系统和本地无线收发器；所述预警系统由数据集中器控制；所述数据集中器通过本地无线收发器接受到数据后，通过数据存储系统对数据进行存储和损伤分析，并将分析结果通过本地无线收发器发送给终端服务器。

进一步，上述终端服务器能够主动调用或被动接收和存储数据集中器中存储的数据；终端服务器还可以通过GPRS调控控制器，实现对脉冲光发射器和连续光发射器的远程间接控制。

进一步，上述导光光纤和待测区域之间使用快速凝胶胶结。

进一步，上述光纤传感器为BOTDA光纤传感器。

本发明还提供了一种基于上述桥梁裂缝监测预警系统的预警方法包括以下步骤：

步骤一：在桥梁底部和侧部待测区域沿桥梁长度方向密集铺设导光光纤，导光光纤与桥梁之间使用快速凝胶胶结；

步骤二：光纤传感器采集损伤信号并通过数据采集系统将采集到的信号传输给监测终端；具体采集信号的过程为：

步骤1)：由控制器控制脉冲光发射器和连续光发射器发射指定频率的泵浦脉冲光和探测连续光，控制器调节使得脉冲光发射器和连续光发射器发射的光频之差等于布里渊频移：

f₁-f₂＝f_B

其中，f₁为探测连续光频率，f₂为泵浦脉冲光频率，f_B为布里渊频移；若测量区域A处产生裂缝，则A点的BOTDA信号将急剧衰减，得到布里渊频移f′_B；

步骤2)：衰减的布里渊信号激发控制器，控制器控制脉冲光发射器和连续光发射器进行调谐，使入射泵浦光和探测光之间的频差等于f′_B，则监测终端中的数据采集系统接收到A处的布里渊散射信号；

步骤三：监测终端将采集到的各单线路信号传输至其内部的损伤识别系统，损伤识别系统自动识别信息判断是否存在损伤，并判断该信号数据是否超过设定的阀值，若超过阀值则启动485通信将该信号传输至网关，若未超过阀值则不启动485通信。

步骤四：网关将在步骤三中收到的各个单线路的损伤信息通过GPRS无线通信技术传输至数据集中器；

步骤五：数据集中器收到网关传输来的损伤信息后，对数据信息进行存储，并启动损伤分析系统对信息进一步分析，确定裂缝宽度；若裂缝宽度超过设定的裂缝宽度限值，则将信息传输至终端服务器的同时启动预警系统进行预警；否则仅将信息传输至终端服务器。

进一步，上述光纤传感器为BOTDA光纤传感器。

相对于现有技术，本发明的优点及效果为：

1、本发明中的导光光纤采用布里渊光时域分析BOTDA技术，在提高了测量精确度的同时实现了对一个区域的全寿命整体监测，并且通过导光光纤之间以一定的密度密集并联排布可以实现对桥梁重要部位整体监测，适时提出预警，可靠性高。

2、本发明中的监测系统无需安排专人现场操作，通过无线通信技术实现对控制器的远程操控，节省了人力成本和对监控系统的养护成本。

3、本发明中的导光光纤与待测区域通过快速凝胶胶结，快速凝胶与混凝土具有良好的变形协调性，使导光光纤、凝胶和桥梁连为一体，若桥梁待测区域发生裂缝则凝胶开裂，同时导光光纤也发生变形。

4、本发明能够监测某一条裂缝的生长发育状况，裂缝的形状、生长速度都可通过服务器实现远程实时观测，从而实现了对裂缝的动态监测。

5、本发明中的监测系统集成了数据采集，损伤分析和数据传输子系统。损伤分析系统在分析单线路数据以后，只将超过阀值的数据进行传输，其他数据不进行传输。使得整个系统的数据传输量大为减少，同时监测系统仅对其单线路的数据进行分析识别，减少了数据处理工作量，使得系统整体的工作效率提高。

6、本发明中子系统间通过协作的实现了实时监测、采集、分析、处理和预警，损伤信息通过无线方式被发送，可以无论何时何地都能向人们提供需要的信息。

7、相比于人工检测，本发明能够做到对待测区域以及某条裂缝的生长状况做到的实时监测，减少了人为工作量的同时提高了可靠度。

8、相比于其他的传感器，导光光纤更加廉价，适用于大范围的推广。

9、实现了对桥梁重要区域裂缝全寿命周期的监测，克服了现有检测方法不能及时有效的发现结构裂缝的缺陷、劳动强度大、检测成本高、检测效率低、安全性低、受检测者人为因素影响严重等缺点。

附图说明

图1为本发明的系统实施方式结构图；

图2为本发明布里渊光时域分析BOTDA原理图；

图3为本发明的数据集中器工作流程图。

其中:1为光纤传感器；2为监测终端；3为网关；4为数据集中器；5为终端服务器；6为供电模块；7为导光光纤；8为脉冲光发射器；9为连续光发射器；10为数据采集系统；11为控制器；12为损伤识别系统；13为485通信。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1，图2和图3所示，本发明公开了一种桥梁裂缝监测预警系统，包括信号采集模块、数据处理模块和供电模块6；所述信号采集模块与数据处理模块保持通信；所述供电模块6为信号采集模块和数据处理模块提供电源；

所述信号采集模块包括多个光纤传感器1和多个监测终端2；所述监测终端2通过数据采集系统10与光纤传感器1相连接；

所述数据处理模块包括数据集中器4，所述数据集中器4与网关3和终端服务器5保持通信。

光纤传感器1包括多根互相并联的导光光纤7；所述导光光纤7一端安装有连续光发射器9，另一端安装有脉冲光发射器8；所述脉冲光发射器8与导光光纤7之间设置有数据采集系统10。

监测终端2包括数据采集系统10、控制器11、损伤识别系统12和485通信13；

所述数据采集系统10用来采集信号数据；

所述控制器11控制脉冲光发射器8和连续光发射器9发射指定频率的脉冲光和连续光，同时控制器11还通过数据采集系统10接收信号数据；

所述损伤识别系统12用来识别数据采集系统10所采集的信号数据，并判断该信号数据是否超过设定的阀值，若超过阀值则启动485通信13将该信号传输至网关3，若未超过阀值则不启动485通信13。

所述网关3包括本地无线收发器、控制器和485通信；所述控制器通过485通信13与多个监测终端2相连，控制器接收监测终端2传来的信号并经由本地无线收发器向数据集中器4发送信号数据。

数据集中器4包括透传GPRS系统、数据存储系统、预警系统和本地无线收发器；所述预警系统由数据集中器4控制；所述数据集中器4通过本地无线收发器接受到数据后，通过数据存储系统对数据进行存储和损伤分析，并将分析结果通过本地无线收发器发送给终端服务器5。

所述终端服务器5能够主动调用或被动接收和存储数据集中器4中存储的数据；终端服务器5还可以通过GPRS调控控制器11，实现对脉冲光发射器8和连续光发射器9的远程间接控制。

导光光纤7和待测区域之间使用快速凝胶胶结。

光纤传感器1为BOTDA光纤传感器。

本发明还公开了一种基于上述桥梁裂缝监测预警系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤一：在桥梁底部和侧部待测区域沿桥梁长度方向密集铺设导光光纤7，导光光纤7与桥梁之间使用快速凝胶胶结；

步骤二：光纤传感器采集损伤信号并通过数据采集系统10将采集到的信号传输给监测终端2；具体采集信号的过程为：

步骤1)：由控制器11控制脉冲光发射器8和连续光发射器9发射指定频率的泵浦脉冲光和探测连续光，控制器11调节使得脉冲光发射器8和连续光发射器9发射的光频之差等于布里渊频移：

f₁-f₂＝f_B

其中，f₁为探测连续光频率，f₂为泵浦脉冲光频率，f_B为布里渊频移；若测量区域A处产生裂缝，则A点的BOTDA信号将急剧衰减，得到布里渊频移f′_B；

步骤2)：衰减的布里渊信号激发控制器10，控制器10控制脉冲光发射器8和连续光发射器9进行调谐，使入射泵浦光和探测光之间的频差等于f′_B，则监测终端2中的数据采集系统10接收到A处的布里渊散射信号；

步骤三：监测终端2将采集到的各单线路信号传输至其内部的损伤识别系统12，损伤识别系统12自动识别信息判断是否存在损伤，并判断该信号数据是否超过设定的阀值，若超过阀值则启动485通信13将该信号传输至网关3，若未超过阀值则不启动485通信13。

步骤四：网关3将在步骤三中收到的各个单线路的损伤信息通过GPRS无线通信技术传输至数据集中器4；

步骤五：数据集中器4收到网关3传输来的损伤信息后，对数据信息进行存储，并启动损伤分析系统对信息进一步分析，确定裂缝宽度；若裂缝宽度超过设定的裂缝宽度限值，则将信息传输至终端服务器5的同时启动预警系统进行预警；否则仅将信息传输至终端服务器5。

其中光纤传感器1为BOTDA光纤传感器。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

一、BOTDA光纤传感器采集损伤信号

如图2所示，在桥梁底部和侧部待测区域沿桥梁长度方向密集铺设导光光纤7，导光光纤7与桥梁之间使用快速凝胶胶结，导光光纤7两端分别与脉冲光发射器8、连续光发射器9相连，在脉冲光发射器8一侧连接有数据采集系统10。

实施过程中，首先由控制器11控制脉冲光发射器8和连续光发射器9发射指定频率的泵浦脉冲光和探测连续光，通过控制器11的调节使得脉冲光发射器8和连续光发射器9发射的光频之差等于布里渊频移，即符合以下关系式：f₁-f₂＝f_B

其中，f₁：探测连续光频率

f₂：泵浦脉冲光频率

f_B：布里渊频移

若测量区域A处产生裂缝，胶结在A表面的导光光纤即被拉长，使得A处导光光纤的布里渊频移由f_B变为f′_B，结果引起A点的BOTDA信号急剧衰减。衰减的布里渊信号激发控制器10，控制器10控制脉冲光发射器8和连续光发射器9进行调谐，使入射泵浦光和探测光之间的频差等于f′_B，于是监测终端2中的数据采集系统10便能够接收到该点的布里渊散射信号。监测终端2中的数据采集系统10每采集一次数据就需要启动一次损伤识别系统12对数据进行损伤识别。

二、信号传输

如图1所示，监测终端2将采集到的单线路信号传输至其内部的损伤分析系统12，损伤识别系统12自动识别信息判断是否存在损伤。判断方法是，若BOTDA信号超过设定的阀值则认为存在损伤，进而启动485通信13将这部分数据传输至监测终端网关3，若该信号未超过阀值则认为不存在损伤，则不启动485通信；网关3收到各个单线路的损伤信息后将信息通过GPRS无线通信技术传输至数据集中器4。

三、信息存储和预警

如图3所示，数据集中器4收到网关3通过GPRS传输来的损伤信息后，首先对数据信息进行存储，然后启动损伤分析系统对信息进一步分析，确定裂缝宽度。若裂缝宽度未超过《公路养护技术规范JTGH1-2009》中规定的钢筋混凝土及预应力混凝土桥的裂缝宽度限值，则仅将信息传输至终端服务器5，若裂缝宽度超过《公路养护技术规范JTGH1-2009》中规定的钢筋混凝土及预应力混凝土桥的裂缝宽度限值，则将信息传输至终端服务器5的同时启动预警装置进行预警。

四、终端服务器的主动调控

终端服务器5除了能够接收数据集中器4传来的损伤信息并进行存储的传统功能以外还具有通过GPRS主动调用数据集中器4中存储的数据；还可以通过GPRS调控监测终端2中的控制器11，实现对脉冲光发射器8、连续光发射器9的远程间接控制。