（信号与信息处理专业论文）光纤光栅桥梁预应力智能张拉系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 光纤光栅被认为是2 1 世纪重要的技术之一，随着光纤光栅技术的进步和发 展，光纤光栅在光纤传感和光纤通信领域有了非常广泛的应用【1 。利用光纤光栅 传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰等特点，在本系统中我们使用了光纤光栅压 力传感器和光纤光栅位移传感器来监测系统的压力和张拉位移。 桥梁的预应力施工工序能够有效地保障桥梁的结构安全及其耐久性；然而 对现有桥梁进行的大量调查表明，进行过预应力施工的桥梁其安全隐患主要来 自预应力张拉施工的不严谨，以及在张拉过程中缺少有效的质量监督方法【z 】。 本系统采用现代光纤传感、数字控制、信息处理等技术，实现张拉过程的 自动化。无需人工读数与测量，能有效解决传统桥梁预应力人工张拉方法存在 的精确性差、随意性大以及人为修改数据等问题，真正消除隐患。从而保证张 拉施工质量，以确保桥梁安全可靠运行。 本文首先介绍了系统相关理论，包括光纤光栅，桥梁预应力和张拉过程介 绍。然后在此基础上重点介绍了系统的设计原理并详细阐述了系统的设计与实 现。该系统实现了机械的电子化，这是未来发展的一个重要趋势。最后通过实 验数据分析表明该系统的有效性和可靠性。 关键词：光纤光栅机械电子化无线通信预应力 a b s t r a c t - - - - - 一_ _ 一 a b s t r a c t t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gi sc o n s i d e r e dt ob eo n e o ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n t h e21s t c e n t u r y ，a n dw i t ht h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to ff i b e rb r a g gg r a t i n g t e c h n o l o g y , i th a sav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do ff i b e ro p t i cs e n s i n g a n do p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 【l 】f i b e rg r a t i n gp r e s s u r es e n s o r sa n df i b e rb r a g g g r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o ra r eu s e dt om o n i t o rs y s t e m a t i cp r e s s u r ea n dt h et e n s i o n d i s p l a c e m e n td u e t ot h e s eh i g hs e n s i t i v i t ya n d a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei no u r e x p e r i m e n t p r e s t r e s s i n go ft h eb r i d g e c a l l e f f e c t i v e l yp r o t e c tt h es t r u c t u r a ls a f e t ya n d d u r a b i l i t y h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ld a n g e r si np r e s t r e s s e db r i d g e sf r o m s u r v e y s ， b e c a u s em e t h o d si nt h ep r o c e s sw e r en o tp r e c i s ea n dl a c ko fe f f e c t i v es u p e r v i s i o n s 2 i no u rs y s t e m ，w eu s em o d e r n f i b e r - o p t i cs e n s i n g ，d i g i t a lc o n t r o l ，a n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h a te n a b l e sa u t o m a t i o ni nt h et e n s i o n i n gp r o c e s s w i t h o u tm a n u a lr e a d i n ga n dm e a s u r e m e n t s ，a n d e f f e c t i v e l ya v o i dt h ep o o ra c c u r a c vi n t r a d i t i o n a la r t i f i c i a l t e n s i o n ，a r b i t r a r ya n da r t i f i c i a l l ym o d i f i e dd a t a , s ov i r t u a l l v e l i m i n a t et h e r i s k ，e n s u r i n gt h eq u a l i t yo ft e n s i o n e dc o n s t r u c t i o na sw e l la sb r i d g e s r e l i a b l eo p e r a t i o n t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e ss o m et h e o r i e sa b o u to u rs y s t e m ，i n c l u d i n gf i b e r b r a g gg r a t i n g ，p r e s t r e s s e db r i d g ee n g i n e e r i n ga n dt e n s i o n i n gp r o c e s s o nt h i sb a s i s ， t h e nw ef o c u so nt h ed e s i g n i n gp r i n c i p l ea n dh o wt od e s i g na n di m p l e m e n ti nd e t a i l o u rs y s t e ma c h i e v em a c h i n e r ye l e c t r o n i c ，w h i c hi sa l l i m p o r t a n tt r e n di nf u t u r e d e v e l o p m e n t f i n a l l y ，o u re x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo u r s y s t e r n k e y w o r d s ：f b gm e c h a n i c a le l e c t r o n i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r e s t r e s s e d i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 随着科学技术的发展和社会的进步，交通运输业正在飞速的发展。铁路和 高速公路遍布全球。在铁路和高速公路的建设过程中，桥梁的作用举足轻重。 尤其在高速公路的建设中，桥梁的建设到处可见。当各种汽车在高速公路上飞 快的奔驰时，如何保证桥梁的安全、牢固成为了高速公路建设中非常重要的课 题。 桥梁是交通线路中的重要设施，在地面交通中发挥着重要的互联互通作用， 大大提高道路运行效率。桥梁的安全性不仅直接影响线路的正常运行，还直接 关系到人们生命财产的安全。所以，在桥梁的施工过程以及长期运行过程中人 们都开始采取各种技术手段，对桥梁关键部位的应力、应变、位移、沉降等参 数进行监测，实时掌握桥梁的健康状况，以确保桥梁安全可靠运行。 应用于桥梁健康检测的传感器主要有应变计、位移计、姊妹杆、裂缝计等， 根据桥梁结构、材料、测试部位不同应变计又有表面贴装、表面焊接、内部预 埋等多种封装形式。根据传感器工作原理不同传感器有应变片式传感器、振弦 式传感器、光纤光栅传感器等，其中光纤光栅传感器是近些年来迅速发展起来 的新型传感器，它采用光纤光栅为敏感原件，通过光纤进行传感器的连接实现 信号传输，与传统的应变片式传感器及振弦式传感器相比，具有检测灵敏度高、 长期稳定性好、不受电磁干扰、不受雷击影响、使用寿命长等突出优点，日益 得到人们的认可和重视。 桥梁的预应力施工工序能够有效地保障桥梁的结构安全及其耐久性；然而 对现有桥梁进行的大量调查表明，进行过预应力施工的桥梁其安全隐患主要来 自预应力张拉施工的不严谨，以及在张拉过程中缺少有效的质量监督方法；桥 梁预应力施工的传统方法是通过人工控制油泵进行张拉操作，存在人工读数误 差以及人为修改数据等问题【2 j 。 本课题的系统设计正是基于以上背景提出的，目的是设计与实现一个稳定 性好，使用寿命长的桥梁预应力智能张拉系统。该系统采用现代光纤传感、数 第一章绪论 字控制、信息处理等技术，可以实现张拉过程的自动化，无需人工读数与测量， 能有效解决传统桥梁预应力人工张拉方法存在的精确性差、随意性大以及人为 修改数据等问题，真正消除隐患，从而保证张拉施工质量，以确保桥梁安全可 靠运行。同时，采用桥梁预应力智能张拉系统来完成张拉施工全过程，可节省 很多人力、物力和施工管理成本，从而可以大幅度提升施工效率。 第二节论文的组织结构 本文主要章节安排如下： 第一章为绪论。该章介绍了本文的研究背景，从而引出本文系统设计的意 义。 第二章为系统相关理论简介。该章简单地介绍了光纤光栅技术、预应力技 术和张拉过程。 第三章详细介绍了光纤光栅桥梁预应力智能张拉系统的设计。先对系统设 计要求进行了分析，然后介绍了系统的原理，最后从有线系统设计和无线系统 设计阐述了系统是如何实现的。 第四章对系统模拟测试数据和实际测试数据进行了分析，阐述该系统的可 靠性，有效性及稳定性等优点。 第五章对本系统的设计与实现进行总结，并对未来的工作与研究进行展望。 2 第二章系统相关理论简介 第二章系统相关理论简介 第一节光纤光栅简介 2 1 1 光纤光栅技术发展状况 光纤在强光( 紫外线，激光等) 的照射下，由于光纤纤芯对光非常敏感， 导致光纤的折射率随光照强度的空间分布发生变化，从而沿着光纤轴形成周期 性的折射率变动，这就是光纤光栅；1 9 7 8 年，在加拿大渥太华的加拿大通信研 究中心( c r c ) ，由h i l l 等人首次证实了在光纤中能形成永久光栅【3 , 4 1 。他们把强 烈的氩离子辐射激光射入一个硅光纤纤芯，数分钟后他们观察发现光纤中反射 光强度增强直到光纤中几乎所有的光都被反射。通过光纤光栅应变和温度调节 间接进行光谱测量证实在超过一米的光纤中形成了一个窄带光纤光栅。后来人 们把这个光栅称为h i l l 光栅。h i l l 的这次实验成果推动了光纤的发展。数年后， 人们利用光纤折射率波动随光照强度的周期变化和它对光波长的依赖性来制作 光栅。 经过详细的研究表吲5 】光栅的强度与光照强度的平方成正比。曾有人做过这 样一个实验，在光纤里射入4 8 8 n m 的辐射激光，该激光从光纤一端开始反射并形 成驻波，从而形成光栅。然后用一个2 4 4 n m 的激光用相同的方法来形成光栅。对 比两次实验可以证实，2 4 4 n m 的激光更能有效地形成光栅。g m e l t z 6 1 等人表明通 过两个相交的紫外线照射光纤侧面，这种辐射可以用来形成反射任何波长光波 的光栅；现在由于紫外光与光纤轴之间存在夹角会出现一段干扰极大并随指数 变化的时期，而射入光纤纤芯的可见光对其没有影响。此外，这样也能更加有 效的形成光栅。 起初，观察光纤折射率的变化只是出于科学上的好奇心，但是随着时间的 推移，它已经成为了一个重要的技术并在光纤通信和光纤传感中起着非常重要 的作用。因此，在欧洲，北美，南美，亚洲和澳洲的许多大学和工业实验室正 在进行光纤光敏性以及它的用途研究。许多与光敏性和光纤光栅相关的文章也 出现在科学文献，专题会议和专题讨论会上。在路由、滤波、控制上，并在下 3 第二章系统相关理论简介 一代高容量w d m ( 波分复用技术) 电信网络上发现了光纤光栅重要的应用价值。 2 1 2 光纤光栅应用简介 光学光纤的光敏性和其固有的相容性技术特点使得各种不同的光纤光栅器 件，包括一些在以前认为不可能实现的新型器件的制作得以完成。光纤光栅色 散补偿器【7 】就是一个非常典型的新型器件例子。光纤光栅也被作为了一个能够进 行反射增强的光学设备组件，例如，包含光栅的半导体激光器。虽然近年来研 究最多的光纤光栅应用是光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域的应用，但是光 纤光栅在激光雷达，光开关，光信号处理，光存储等方面还有很多其他潜在的 应用。 表2 1 光纤光栅在光纤通信领域的应用 应用领域 色散补偿【7 - 1 2 】波长选择设备 1 3 - 1 7 】 频带抑制滤波器、长周期光栅【1 8 】掺饵光纤放大器【1 9 - 2 2 光纤光栅外腔半导体激光器【2 3 。2 6 】网络监测与光纤识别【2 7 】 级联拉曼光纤放大器【2 8 光纤激光器【2 9 3 0 】 表2 2 光纤光栅的其他领域的应用 应用领域 光纤模式转换器，空间模式转换器，偏振模式转换器 光纤光栅传感器【3 1 】 光学信息处理，相控天线阵的延迟线，光纤光栅压缩机 光开光，电光器件，光存储 在表2 1 中我们列出了光纤光栅在光纤通信领域的一些应用。其中一个令人 兴奋的应用是它在色散补偿上的应用。因为光波波长越短越容易发散，所以光 脉冲在光纤中传播时是发散的。当在光纤里高速率传输数据时，数据脉冲会发 成重叠。这样的话，光纤的色散就会限制能够在光纤里传输的最大数据。光纤 4 第二章系统相关理论简介 光栅色散补偿器的基本工作原理如下：将光纤光栅传输谱中第一边瓣的波长与 光信号的中心波长对应，光纤光栅就能够实现色散补偿【7 j 。 光纤光栅除了在表2 1 中的应用外，还有一些与光纤通信没有关联的应用， 这些应用在表2 2 中列出。其中最有应用前景的是光纤光栅在传感领域上的应用。 事实上，光纤光栅在传感领域的应用可能超过了它在其他所有领域的应用1 3 1 1 。 光纤光栅具有损耗低，灵敏度高，性能稳定可靠，制作方便，与光纤设备 连接方便等优点，因此用光纤光栅制作的光纤光栅传感器有着其特有的优势。 例如抗电磁干扰、高灵敏度、耐高温、耐腐蚀性等。正是由于光纤光栅传感器 这些特有的优势，光纤光栅传感器已经在工农业、生物医学、土木工程、航天 航空、船舶航运业等许多领域有了非常广阔的应) 毛je 3 2 , 3 3 】。下面我们将介绍光纤光 栅传感器的一些应用。 ( 1 ) 在复合材料上的应用：复合材料以其强度高、耐腐蚀、质量轻等优势， 在军事和普通民用产品上已经开始得到普遍的应用。然而因为复合材料制造工 艺的复杂性，在实际生产中很难保证其质量与性能的稳定。实时监控复合材料 的成型工艺过程是处理这个问题的有效方法，它对于保证复合材料产品质量， 压缩成本，提高材料加工和制作的重复性有着非常重要的意义。对于复合材料 成型工艺过程的监控，光纤光栅传感器提供了新的方法和途径；利用光纤光栅 传感器体积小，灵敏度高的特点，将光纤光栅传感器提前埋在预浸料铺层中来 测量成型工艺过程中复合材料的参数，就能实现对复合材料成型工艺过程的监 控【3 2 】。 ( 2 ) 在航天航空的应用：由于光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、性能 稳定可靠的优势，因此光纤光栅传感器在航天航空有着广泛的应用。例如将光 纤光栅传感器安装在飞机上监控飞机的压力、振动、温度、燃料液位等性能指 标。 ( 3 ) 在结构健康监测方面的应用：随着我国高速铁路的不断发展，越来越 多的桥梁、钢轨、轨道板和轨枕被建设起来，这些结构是否健康将直接影响到 行车是否安全。随着光纤光栅传感器技术的不断发展，因其具有性能稳定可靠 特点，光纤光栅传感器在铁路上得到了广阔的应用。例如在混凝土轨枕制造过 程中把光纤光栅传感器安装在其中从而实现对此轨枕结构的长期监测【3 3 1 。 ( 4 ) 在电力工业上的应用：由于光纤光栅传感器具有绝缘性能好，抗电磁 干扰等特点，因此光纤光栅传感器特别适合电力设备的温度进行实时监测。 5 第二章系统相关理论简介 2 1 3 光纤光栅与半导体应变片对比分析 1 9 5 4 年史密斯发表了锗和硅半导体压敏电阻效应，随后在1 9 5 8 年贝尔实验 室研究并制造出了半导体应变片。相对于金属应变片而言，半导体应变片有着 其独特的优势，因此在应变片技术上，半导体应变片的发展尤为迅速。下面介 绍半导体应变片的主要特点： ( 1 ) 灵敏度高：金属应变片的灵敏系数为2 到4 ，而半导体应变片的灵敏系 数高达6 0 至u 1 7 0 。半导体应变片的灵敏度是金属应变片灵敏度的几十倍【3 引。这样 半导体应变片能够对微弱的信号变化发生应变，从而能够处理微弱信号。而不 必像金属应变片那样必须采用放大器才能处理微弱信号。 ( 2 ) 由于半导体具有压敏电阻效应，它能够实现两种符号相反( p 型和n 型) 的应变效应，利用半导体的负压敏电阻效应就能够实现温度自补偿型应变片。 ( 3 ) 半导体应变片能够实现从几欧到几千欧姆的电阻值。 ( 4 ) 频率响应时间很短，用于制作高频器件。 ( 5 ) 电阻温度系数大，因此温度稳定性比较差，甚至还比不上金属应变片。 ( 6 ) 半导体应变片在应变超过一定范围后，其电阻的线性度会明显下降。 ( 7 ) 会受到电磁干扰。 根据光纤光栅与半导体应变片的特点，我们从以下几个方面对光纤光栅和 半导体应变片进行对比分析： ( 1 ) 外型：光纤光栅制造的传感器具有体积小、质量轻的特点。半导体应 变片也能制作小型和微小型应变片。 ( 2 ) 灵敏度：光纤光栅与半导体应变片的灵敏度都非常高。但是实验【3 5 j 证明半导体应变片的灵敏度不及光纤光栅的灵敏度高。 ( 3 ) 特殊环境抵抗能力：光纤光栅能够抗电磁干扰，但半导体应变片会受 到电磁干扰。光纤光栅还具有耐高温，耐腐蚀特性。而半导体应变片通常不能 耐高温，耐腐蚀。 ( 4 ) 价格：与半导体应变片相比，光纤光栅的价格较为昂贵。 6 第二章系统相关理论简介 第二节预应力技术和张拉过程简介 2 2 1 预应力技术简介 预应力是指在加预应力过程中所引入的应力，在工程结构承受外荷载作用 前，对结构中的钢绞线，加入预应力，可以增加结构的刚性，延迟结构出现裂 痕的时间，从而增强工程结构的可持久使用性【3 6 1 。 因为预应力混凝土具有优良的受力特性和抗拉性能，所以预应力混凝土在 桥梁建设中应用非常广泛。预应力钢绞线的张拉应力控制对预应力混凝土结构 的预应力效果起着非常明显的作用，因此能否建立准确、符合设计要求的预应 力值的关键是预应力工艺是否能够达到标准要求。在桥梁建设中应用预应力张 拉技术，能够清除不良弯矩，并且能够让结构处于良好的受压应力状态；预应 力张拉技术的发展对桥梁的大数值跨径有着深远的影响。在传统预应力张拉的 施工中，主要依靠人工操作控制张拉，因此机械设备的可靠性和操作工人的熟 练度将直接影响预应力施工质量。预应力钢绞线在捆扎时不能过密也不能太过 松弛，这都经严重影响施工质量。为了保证预应力张拉质量，2 l 世纪以来，国 内外很多公司和研究机构都在研究数字化的控制设备，以减少人工操作带来的 不精确性。 预应力混凝土结构的优点如下： ( 1 ) 机构内力小，而且结构内力在跨中与支座出的分布较均匀。 ( 2 ) 在外荷载的作用下，结构变形小，从而可增大结构的跨度。 目前，预应力技术在公路桥梁建设上，主要应用于多跨连续桥梁( 通常包 括正弯矩区和负弯矩区) 施工、空心板、桥梁加固施工、t 型简支梁、受弯构件 施工、顶推法施工、边坡或山体锚固、混凝土斜拉桥、连续钢构、大件提升等 方面【37 1 。 2 2 2 张拉过程简介 桥梁预应力施工张拉过程通常分为两部分：预紧和高应力张拉。预紧时使 用的张拉应力通常为总应力的1 5 或者更大，预紧的作用是使松弛的预应力钢绞 线变得紧直。在高空张拉预应力钢绞线时，应该搭建稳固的操作台。在张拉施 7 第二章系统相关理论简介 工前必须对各种机械设备和仪器仪表进行校验和标定，校验必须由具备专业资 质的质量检测部门进行检测，并使用符合国标的压力机对压力表进行标定。另 外张拉设备应配套校验，并且在施工中必须配套使用。在进行张拉前，设计单 位需要给出混凝土强度、张拉值、张拉理论伸长值【3 引。 预施应力时两端两个千斤顶同时进行对称张拉，张拉实行张拉力和伸长量 双控制。并以张拉力为主控制，以伸长值来辅助校验。张拉过程中每个行程必 须严格按照油压表读数进行施加压力。当混凝土抗压强度达到4 2 5 m p a 以上且龄 期不小于7 天时进行张拉，张拉顺序为n 1 一- n 3 一- n 2 一- n 4 ，两端对称同时张拉。 预应力钢绞线的张拉过程，应该按照规定的程序进行，如果没有明确规定 张拉程序时，可以使用下列程序之一： o - - * 1 0 5 o c o n 持荷2 m i n - - , o c o n 。 o l0 3 o c o n 上述张拉程序中的o c o n 为预应力钢绞线需要的总张拉应力。 本系统采用较为规范的张拉程序：0 _ o 1 5 0 c o n ( 尺量伸长量l 1 ) 持荷2 m i n 一0 3 0 0 e o n ( 尺量伸长量l 2 ) 持荷2 m i n - - o c o n ( 尺量伸长量l 3 ) 持荷2 m i n 一锚 固，计算伸长值，判定是否合格一钢绞线的锚环根部作标志测钢绞线是否有回 缩。 预施应力采取双控措施，张拉过程中应该保持两端的伸长量基本一致，在 传统张拉时预施应力值以油压表读数为主，以预应力筋伸长值进行校验，在本 校系统中张拉时以光纤光栅压力传感器返回数据为主，以位移传感器返回数据 进行校验，误差不得超过士6 。 8 第三章系统设计与实现 第三章系统设计与实现 本章详细介绍了光纤光栅桥梁预应力智能张拉系统是如何设计与实现的。 本章先对系统设计要求进行了分析并制定与确定了方案，然后阐述了系统设计 原理，最后从有线与无线系统设计说明了系统是如何设计实现的。 第一节系统设计要求分析与方案制定 3 1 1系统设计要求分析 桥梁预应力智能张拉系统要求通过现代传感技术、数字控制技术、信息处 理技术等技术，实现张拉过程的自动化，无需人工读数与测量。 可以看出传感，控制与信息处理是该系统的核心内容。首当其中的便是传 感，要想保证数据的准确与可靠，传感器必须灵敏，稳定，抗干扰。然后是如 何把传来的数据进行处理分析，并做出相应的回应来控制系统的有效正常运行。 3 1 2 系统设计方案制定 基于前- - + 节的设计要求分析，系统设计的重点是传感器的选择。基于此 分析并结合第二章对光纤光栅和半导体应变片的对比分析，对于传感器选择有 以下两种方案： ( 1 ) 方案一：选用半导体应变片传感器 优点：价格便宜。 缺点：会受到电磁干扰，影响数据传输的准确性。 ( 2 ) 方案二：选用光纤光栅传感器 优点：灵敏度高，抗电磁干扰，使用寿命长，稳定性好。 缺点：价格昂贵，会受到振动干扰。 综合考虑本系统的设计要求与研究背景可以看出，本系统对数据的准确性 与稳定性要求更高。对比分析两种方案，方案一中的半导体应变片传感器虽然 9 第三章系统设计与实现 价格便宜，但是它容易受到电磁干扰，稳定性也不及光纤光栅传感器好。方案 二中的光纤光栅传感器，虽然价格昂贵，但是它具有灵敏度高，抗电磁干扰， 稳定性好的优点，满足我们的设计要求。为了保证桥梁的安全可靠运行，消除 安全隐患，本系统选用了第二套方案。因此本系统被称为光纤光栅桥梁预应力 智能张拉系统。 确定了采用光纤光栅传感器后，一个新的问题又出现了。计算机没法直接 处理光信号，所以需要一个将光信号转化为电信号的设备，即光纤光栅网络分 析仪。对于光纤光栅网络分析仪的选择我们制定了以下两种方案： ( 1 ) 方案一：利用参考光栅解调 图3 1 利用参考光栅解调示意图 器件：宽带光源、耦合器、参考光栅、p z t 、光电转换电路、p z t 驱动电路、 数据处理电路等。 优点：解调速度快；成本低。 缺点：扫描范围有限，只能在较窄的范围内解调1 2 只传感器；参考光栅易 受温度影响，需要恒温装置，或需测温装置加电路补偿。 扩展：使用光开关，可以扩充至多达1 6 通道，且有1 2 只传感器通道。 ( 2 ) 方案二：利用可调f p 光滤波器解调 1 0 第三章系统设计与实现 图3 2 利用可调f p 光滤波器解调示意图 器件：宽带光源、耦合器、可调f p 光滤波器、光电转换电路、扫描电压发 生电路、数据处理电路等。 优点：多个传感器可构成分布式测量，比如可一次扫描2 0 余个分布于c 波段 的光栅传感器。 缺点：可调f p 光滤波器价格较贵。 扩展：如果再使用光开关，可以扩充至多个通道，且有2 0 只传感器通道。 本系统需要同时采集压力和位移信息，因此需要多个传感器同时测量，对 比分析两种方案，第一种方案虽然解调速度快、成本低，但是无法实现多个传 感器同时测量。第二种方案虽然成本高，但是能够分布是测量，同时扫描多个 光栅传感器。可以看出第二种方案才能满足我们的要求，因此我们选择了第二 种光纤光栅解调方案。 光纤光栅网络分析仪解调得到的信号可以通过有线与无线通信方式与监控 计算机进行通信，这两种方式将在第三节系统设计与实现进行详细介绍，这里 不再说明。 第二节系统设计原理 本系统是桥梁预应力智能张拉系统，它的主要用途是进行桥梁钢绞线的张 拉，其张拉示意图如图3 3 所示。 第三章系统设计与实现 厂一一 图3 3 光纤光栅桥梁预应力智能张拉系统示意图 整个系统具体的原理图如图3 4 所示。 图3 4 光纤光栅桥梁预应力张拉系统原理图 光纤光栅智能张拉系统将位移传感器置于千斤顶上以采集位移信息，压力 传感器置于油泵里的阀块上以采集压力信息，然后将采集的信息传到计算机控 1 2 第三章系统设计与实现 制系统，计算机对所采集的数据进行计算分析，然后给出控制信号控制电磁阀 的换向，从而保证压力的正常增加与保持，实现此张拉系统的反馈控制。系统 的结构框图如图3 5 所示。 图3 5 桥梁预应力智能张拉系统结构框图 在图3 5 中，我们可以看到系统里有几个阀，溢流阀，电磁阀，节流阀。这 些都是该系统机械构造的重要组成部分。机械设计这部分主要是合作方制作， 在这里只做一下简单的介绍。 电磁阀也叫电磁换向阀，顾名思义，它的作用是换向。在本系统中，它的 作用亦是如此。通过系统的反馈信号控制电磁阀，实现进油与回油的切换和停 止，以达到对千斤项的增压与泄压。其结构图如图3 6 所示，工作原理图如图3 7 所示。 图3 6 电磁阀结构图 1 3 第三章系统设计与实现 图3 7 电磁阀工作原理图 节流阀的作用是控制油的流速以满足限速要求。它的工作原理是通过旋转 把手调节节流截面大小来控制油的流速。在使用过程中只需将节流阀串联在油 路上即可。本系统中它与电磁阀一起被设计安装在阀块( 图3 5 ) 上。典型的节 流调节回路如图3 8 所示【3 9 】。图3 8 2 为节流阀所在位置。 图3 8 节流调速回路 溢流阀在本系统中的作用是保护系统安全，在本系统中也可以称之为安全 阀；它限制系统的最高压力，使压力不超过溢流阀设置的压力值，以保证系统 的安全【3 7 】。本系统中在进油油路与回油油路上都安装了安全阀，这样便保证了 系统安全可靠地运行。在实验中通过对溢流阀的操作使我们发现了一个重要问 题，具体将在第四章讨论。溢流阀的结构示意图如图3 9 所示【4 0 1 。 1 4 第三章系统设计与实现 p 嚣甏薹 图3 9 溢流阀结构示意图 简单介绍完机械部分的几个阀后，下面将对系统中我们所完成工作的原理 做一个总结说明。宽带光源发出的宽带光经光纤耦合器，被测试光纤光栅传感 器反射，反射光经波长鉴别、光电转换变成电信号，再经数据处理，长途运输 至计算机控制台，完成存储、显示以及反馈控制等功能。如图3 1 0 所示。 传输光纤 图3 1 0 工作原理图 第三节系统设计与实现 反馈信号输出 光纤光栅传感器采集的信号可以通过无线和有线( 光缆) 两种方式与计算 机通信。根据这种通信方式的不同我们将系统分为了有线系统与无线系统。 1 5 第三章系统设计与实现 3 3 1 有线系统设计与实现 光纤光栅传感器采集的信号通过光缆与计算机通信，我们将这种系统称为 有线系统。本小节将对有线系统是如何设计与实现的进行一个详细的说明。 有线系统通过光缆将光纤光栅传感器( 压力传感器和位移传感器) 采集的 信号传送给光解调模块，然后光解调模块将光信号转化为电信号传递给计算机。 计算机对所得信号进行分析给出反馈信号，通过电线传递到机箱里的单片机来 控制电磁阀的换向与停止。其结构示意图如图3 1 1 所示。图3 1 1 中的测控系统包 含了光解调模块和计算机。 图3 1 l 有线系统的结构示意图 在3 1 2 d , 节中，我们制定并选择了光纤光栅传感器方案。进而选择了利用 可调f p 光滤波器解调的光解调方案。根据此方案，我们选择 a x s u nt e c h n o l o g i e s 公司的光纤光栅分析仪。我们选用的这款光纤光栅分析仪与p c 之间通过r s 2 3 2 串口通信。标准的的接口协议如下 波特率：1 15 2 0 0 b a u d ； 起始位：l 位； 数据位：8 位； 校验位：无； 1 6 第三章系统设计与实现 停止位：2 5 。 该分析仪为3 2 位系统，从计算机发送到光纤光栅分析仪的通用指令格式如 表3 1 所示。 表3 1 计算机发送到光纤光栅分析仪的通用指令格式 h e a d e r p a y l o a d c h e c k s u m m e s s a g em e s s a g e d a t ae r r o r m e s s a g e u n u s e du n u s e dd a t a i d e n t i f i e r l e n g t h c h e c k s u mc o d ec h e c k s u m 从计算机发送到光纤光栅分析仪的典型指令( 1 6 进制形式) 如下： 0 0 0 00 0 0 30 0 0 00 0 2 c0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 6 4 0 0 0 0 0 0 0 0f f f ff f 9 a0 0 0 0 0 0 0 0f f f ff b d 4 其中前四个字节0 0 0 00 0 0 3 为指令信息标识，表示要进行测量。0 0 0 00 0 2 c 是 表示指令信息长度为4 4 字节，其后的8 个零字节为没使用的信息，0 0 0 00 0 0 1 表示 只读取峰的数据，其后4 个零字节为没使用信息，0 0 0 00 0 6 4 是表示采样频率，0 0 0 0 0 0 0 0 为没使用信息，f f f ff f 9 a 是数据校验信息，0 0 0 00 0 0 0 为没使用信息， f f f ff b d 4 为指令效验信息。在本系统中我们使用了此典型指令。 光纤光栅分析仪收到上述指令后，返回信息( 1 6 进制形式) 的一个样本如 下： 0 0 0 00 0 0 30 0 0 0 0 0 3 40 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 3 30 0 0 00 6 3 e0 0 0 06 7 c c0 0 0 04 5 a c 0 0 0 00 0 0 2f e 8 23 9 6 bf e 9 33 9 0 3f f f f f 9 a 40 0 0 00 0 0 0f f f ff 5 9 f 前四个字节同发送指令一样表示是测量信息，0 0 0 00 0 3 4 表示返回信息长度 为5 2 字节，0 0 0 00 0 0 0 是分析仪状态信息，通常情况为全零。0 0 0 00 0 3 3 是分析仪 的温度信息。0 0 0 00 6 3 e 不使用，0 0 0 06 7 c c 表示最大峰值功率( a d 转换后) ， 0 0 0 04 5 a c 表示最大功率，0 0 0 00 0 0 2 表示发现的峰个数为2 ，其后的8 个字节为发 现的每个峰值的功率与频率信息，f f f ff 9 a 4 是峰值数据校验信息，f f f ff 5 9 f 为整个信息的校验信息。对我们而言，我们关心的是信息里的温度信息和峰值 信息。我们也是根据这些信息做出相应的分析计算，给出相应的控制信号并显 示数值。 根据这个分析仪的指令以及对数值的显示要求我们设计了一个软件，该软 件将收到的信息进行处理，然后把得到的压力和位移信息显示在界面上供用户 1 7 第三章系统设计与实现 查看，并对控制系统发送控制指令来控制电磁阀的换向与停止。该软件的界面 如图3 1 2 至1 j 3 1 6 所示。 图3 1 2 光纤光栅智能张拉系统登录界面 图3 13 光纤光栅智能张拉系统参数设置界面 1 8 第三章系统设计与实现 裁丰省e 填写 巧臣喜 f ：天律市地铁二号鳗 一 选注盟证中铁十五局集团 益理璺伫。宝路工程监理有限公司，辐三擎盘：广寡钢铁建筑公司 标爱，i s j - 1 8 监理曼。张三 瞧旁茅薹 参考皂按准 操作步骤： 1 填写基本信息 2 进行图像采集 3 运 亍辛爻：侄 延至】三至 等 寺； 交二伍 图3 1 4 光纤光栅智能张拉系统信息填写界面 桑号：u 手 琢1 缓号；0 8 1 1 孔立壤号 千斤疆z 蠕号 吕杯至一：；3 0 0 0 ：m p j 巨林立移，i 0 00 0 压1 茬腰 芝榜 蕊曩 簪携卫 、。( 、 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ - 甜确_ _ _ # _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ 一 图3 1 5 光纤光栅智能张拉系统张拉显示界面 1 9 艄绦 气 套 霸 博 媾 第三章系统设计与实现 尹曼 鲢r 覆聂j 凳置亏三亍9 矗：埕革 ：= 叭，- n = _ _ ：o b ： 盛宙一 图3 1 6 光纤光栅智能张拉系统显示报表界面 控制系统我们采用了单片机来控制。对于有线系统我们只需要通过单片机 来控制电磁阀的换向与停止即可。这样我们可以通过单片机的1 0 口的高低电平 来控制继电器改变电路的导通与断开从而实现对电磁阀的控制。对继电器的驱 动可以使用三极管，也可以直接使用集成芯片u l n 2 8 0 3 来驱动，为了保证电路 的可靠运作，我们使用了集成芯片u l n 2 8 0 3 。单片机控制继电器的逻辑电路如 图3 1 7 所示。 图3 1 7 单片机控制继电器逻辑电路 2 0 第三章系统设计与实现 这样我们只需要两个i o 口就能实现对一个电磁阀的控制。以使用p 0 口为例， 假设是使用了p o a 0 和p o a l 。这样当p o a 0 和p o a l 同时为高电平或同时为低电平时， 电磁阀不导通处于停止状态。当p o a 0 和p o a l 中一个为高电平另一个为低电平时 电磁阀的一路导通，油路就开始进油或回油。具体p 0 0 为高电平p 0 i 为低电平 控制进油还是回油，与实际电路的接法有关。 在单片机控制板上我们还留了一个i o 口p 1 a 4 来控制风扇的开关，当光纤光 栅分析仪返回的信息中显示分析仪温度超过安全温度时，软件就给单片机发送 一个控制指令来开起风扇，从而实现对光纤光栅分析仪的散热处理。当温度回 到安全温度以下时，软件就给单片机发送一个控制指令来关闭风扇。 有线系统的流程如图3 1 8 所示。 否 ( 开始 ) 上 l 博嗽件嚣麒黼求| |数据i 1r 软件分析处理数据 单片机处理指令 否 ，非持结击 = 乡 是【 (结束) 图3 1 8 有线系统流程图 2 1 第三章系统设计与实现 在有线系统中，单片机通过串口中断接收软件发送的指令，然后判断指令 类别并做出相应处理，单片机的控制流程图如图3 1 9 所示。 否 r开始、 1r h 等待串口中断 卜_ 判断指令类别 1r 给出相应i o 口信号 1 l 是 结束 ) 图3 1 9 有线系统单片机控制流程图 根据流程图图3 1 9 设计的单片机控制代码如下所示： i f ( r i ) u n s i g n e dc h a rt c m p ； r i = 0 ： 2 2 否 第三章系统设计与实现 t e m p = s b u f ： i f ( t e m p 一0 x e a ) p o = o x 0 1 ；d i ：i 压或进油 ) e l s ei f ( t e m p = = 0 x e b ) p o = o x 0 0 ；停 ) e l s ei f ( t e m p = = 0 x e c ) p 0 = 0 x 0 2 ；卸压或回油 ) e l s ei f ( t e m p = = 0 x e d ) p 14 = i ；开风扇 ) e l s ei f ( t e m p - - 0 x e e ) p14 = 0 ；关风扇 ) 3 3 2 无线系统设计与实现 光纤光栅传感器采集的信号通过无线通信方式传给计算机，这样的系统我 们成为无线系统。本小节将对无线系统是如何设计与实现做一个详细的说明。 无线系统是在有线系统上的一个继承与优化。无线系统通过光缆将光纤光 栅传感器( 压力传感器和位移传感器) 采集的信号传送给光解调模块，然后光 解调模块将光信号转化为电信号通过串口发送给单片机，单片机再通过无线通 信方式发送给计算机。计算机对所得信号进行分析给出反馈信号，并通过无线 2 3 第三章系统设计与实现 通信方式将控制信号发送到机箱里的单片机来控制电磁阀的换向与停止。其结 构示意图如图3 2 0 所示。 图3 2 0 无线系统结构示意图 蕊莛 女警落翼 无线系统的核心内容是无线通信。如何实现无线通信主要在与无线模块的 选择。由于时间的关系，我们无法再次设计新的单片机电路，为了使无线通信 能够进行，我们选择了一种能够直接用于之前有线系统单片机电路的无线通信 模块a p c 2 2 0 4 3 。该无线模块传输距离能达n 1 0 0 0 m ，工作频率在4 1 8 - 4 5 5 m h z ， 可通过r s 2 3 2 串e l 通信，并由于其内置看门狗电路，a p c 2 2 0 4 3 能保证长期可靠 运行。a p c 2 2 0 4 3 的这些特点正好满足我们的需求。并且因为它采用串e l 通信， 只需要设置好它的波特率，将一对无线模块通过串1 2 1 分别连接在单片机和计算 机上就能够实现无线通信。 从图3 2 0 中可以看出，无线系统需要两个光解调模块分别置于两个机箱中， 同时在每个机箱里都需要有无线通信模块与计算机通信。这样如果把计算机的 无线模块作为主机，单片机的无线模块作为从机，主机就有两个从机。而 a p c 2 2 0 4 3 具有双向通信的特点，它会把与它通信频率相同的信号全部接收。当 主机给从机1 发送信息时从机2 也会接收，同时从机1 向主机返回信息时，从机2 也会接收，这样通信就会发生混乱。如何保证主机( 计算机) 与从机( 单片机) 的通信，如何使他们之间的通信不发生碰撞成为了一个需要重点考虑的问题。 夕4 第三章系统设计与实现 要想保证主机与从机之间的通信质量，使他们之间的通信不发生碰撞，最 为重要的便是制定他们之间的通信协议。例如当主机给从机1 发送信息包时，从 机2 能够识别此信息不是主机发送给自己的，并丢掉该信息包，不对该信息包做 任何处理。实现这一过程最简单的办法便是给主机和两个从机都加上地址，发 送信息时在信息前都加上地址信息，使得主机和从机都能识别该信息是否是发 送给自己的并做出丢包或处理的判断。具体的通信协议如下。 假设主机的地址是o x 0 0 ，两个从机的地址分别是o x ll 和0 x 2 2 ，我们还制定了 一个主机广播协议，假设指令头为0 x 3 3 。( 在实际的使用中我们不会用到这些字 节作为地址，而是要选择一个不会和其他指令冲突的字节来做地址。这里只是 为了说明下协议，就随便做了一些假设。) 主机如果想给从机同时发送指令，就 在指令前加上0 x 3 3 。主机如果只给从机l 发送指令，就在指令前加上o x l l 。主机 如果只给从机2 发送指令，就在指令前加上0 x 2 2 。从机收到指令后给主机返回数 据时，在数据包前加上o x 0 0 。这样就保证了主机与从机之间通信不会发生混乱 了，但是这样不一定就能保证通信质量。因为从机能否受到主机指令，主机能 否收到从机数据都没法保证。虽然桥梁张拉现场一般比较空旷，无线通信效果 会比较好，但也无法避免干扰。所以主机与从机之间的通信还需加上握手协议。 当主机给从机发送指令后，从机确认收到指令信息并给出反馈信息，如果 一定时间后主机没有收到从机的确认收到指令信息的反馈信息，就再次给从机 发送指令。如果主机收到了反馈信息，则等待从机发送数据信息。在从机发送 给主机数据信息时，也采用类似的握手协议。从机给主机发送完数据信息后， 主机确认接收完数据信息并给出反馈信息，如果一定时间后从机没