桥梁监测方案

1、桥梁结构健康监测系统桥梁结构健康监测系统光纤仪器监测子系统、振弦仪器监测子系统光纤仪器监测子系统、振弦仪器监测子系统设设计计方方案案北京基康科技有限公司北京基康科技有限公司1目目 录录1 1、设计依据与目标、设计依据与目标 .3 32 2、结构健康监测设计、结构健康监测设计 .3 32.1 主航道桥.42.1.1 梁部的监测 .122.1.2 塔部监测 .122.1.3 阻尼器变形监测 .122.2 深水区 105M连续梁.122.2.1 连续梁结构静力监测.182.2.2 温度监测 .182.2.3 连续梁不均匀沉降变形 .192.3 各监测项目技术要求.192.3.1 主通航桥 .192.

2、3.2 105m 跨连续梁.192.4 监测仪器工程量.193 3、监测仪器选型、监测仪器选型 .20203.1 选型依据.203.1.1 光线光栅传感器 .213.1.2 振弦传感器 .243.2 应变计.263.3 温度计.263.4 位移计.263.5 倾角计.273.5 静力水准仪.274 4、健康监测子系统方案、健康监测子系统方案 .27274.1 光纤仪器采集子系统.294.1.1 光纤仪器监测子系统组成及功能 .294.1.2 本系统监测内容及接入仪器.304.1.3 系统网络通讯结构设计 .314.1.4 现场采集设备配置 .314.1.5 光纤传输布线说明 .344.1.6

3、软件说明 .354.1.7 光纤仪器采集子系统工程量清单 .364.1.8 方案特点 .364.2 振弦仪器采集子系统设备选择.374.2.1 静力水准测量原理及结构 .374.2.2 BGK-MICRO40 型采集设备功能概述.404.2.3 系统网络通讯结构设计 .414.2.4 设备主要技术参数 .414.2.5 BGK-MICRO 采集软件.424.2.6 现场测控单元配置 .4324.2.7 振弦采集子系统工程量清单 .445 5、系统仪器设备安装、系统仪器设备安装 .44445.1 应变计安装.445.2 温度计安装.465.3 位移计安装.475.4 光缆敷设.475.5 静力水

4、准仪安装.485.6 倾角计安装.495.7 参考仪器安装使用手册.496 6、系统测试与验收、系统测试与验收 .49496.1 系统仪器设备的测试.496.2 系统验收.507 7、质量保证与售后服务、质量保证与售后服务 .50507.1 质量保证服务承诺.507.2 技术服务措施.518 8、设备费用概算、设备费用概算 .51518.1 光纤光栅传感器子系统.518.2 振弦式传感器子系统.538.3 价格说明.533桥梁结构健康监测系统设计方案桥梁结构健康监测系统设计方案光纤仪器监测子系统、振弦仪器监测子系统光纤仪器监测子系统、振弦仪器监测子系统1 1、设计依据与目标、设计依据与目标由于

5、桥梁在运营期间会受到气候、氧化、腐蚀或老化等因素的影响，及长期在恒载和活载的作用下遭受损坏，其强度和刚度会随时间的增加而降低，这不仅影响了安全行车，也会使桥梁的使用寿命缩短。因此有必要在现有技术水平的基础上，设计集计算机通信及网络、现代传感器检测、监测技术的，基于监测、状态分析评估和桥梁养护管理等方面的健康监测系统，用以监测和评估桥梁营运状态，为养护管理提供科学依据。所建立的桥梁健康监测系统与传统的检测技术不同，它不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。它通过对以下几个方面进行监控：桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与

6、力学状态桥梁重要非结构构件（阻尼器）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态结构构件耐久性大桥所处环境条件等等获得对桥梁结构状态的监控与评估，达到为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导的目的。2 2、结构健康监测设计、结构健康监测设计为达到上述目标，大桥在工程建设的同时，以主航道桥以及深水区 105m 跨连续梁桥为重点监测段，以其中的主塔、箱梁为主要监测对象，以结构静力、梁端转角变形、结构不均匀沉降以及结构与环境温度为重点监测内容，布设相应的监测仪器，建立起结构健康监测系统。具体监测设计如下：42.12.1 主航道桥主航道桥对主航

7、道桥的监测包括梁部的监测和主塔监测。详细仪器布设见设计图纸“主通航桥监测仪器总布置图”及各“截面监测仪器布置图” 。567891011122.1.12.1.1 梁部的监测梁部的监测对箱梁的监测包括箱梁结构静力、梁端转角变形以及箱梁结构与环境的温度监测，以主航道桥中跨处所在 9 号钢箱梁为主监测断面，具体监测布设如下图 1，详细如下：1、结构静力监测：按主航道桥结构应力计算分析为依据，以主航道桥中跨处所在 9 号钢箱梁为重点，共选择 5 个观测截面，分别在3、5、9、13、15钢箱梁中间部位。其中在 3、5、13、15钢箱梁顶板和底板沿纵向各布设 4 支应变计，以及温补用温度计 4 支。9钢箱梁

8、则是在顶板和底板沿纵向各布设 6 支应变计，另沿横向各布设 4 支应变计，顶板布设温补用温度计 7 支，底板布设温补用温度计 5 支，另外布设 6 支钢温度计以监测钢结构本身温度。2、温度监测：选择在 9钢箱梁观测断面处，沿顶板、底板共布设 18 支温度计，用于监测结构温度。另为监测环境温度，在箱梁外部布设 1 支气温计，在箱梁内部空间布设 2 支气温计。3、桥梁转角监测：为监测桥梁转角变化情况，在主通航桥梁两端各选择一个观测截面，每个观测截面在桥的上下游侧各布设 1 支位移计，共设 4 支位移计，监测位移变形情况；另在桥的上下游侧各布设 1 支倾角计，监测横向倾斜变化。2.1.22.1.2

9、塔部监测塔部监测以两主塔为监测对象，设计布设有结构静力和温度监测仪器，具体如下：1、主塔静力监测：在两混凝土主塔各布设一个观测断面，每个断面沿纵向布设 4 支混凝土应变计。2、温度监测：在两混凝土主塔观测断面，每个断面各布设 8 支温度计，监测结构温度。另为监测环境温度，选择在其中一个主塔上，布设 1 支气温计。2.1.32.1.3 阻尼器变形监测阻尼器变形监测在两主塔阻尼器上各布设一个观测断面，每个断面在大桥上下游侧各布设1 支位移计，共布设 4 支位移计，监测阻尼器在桥梁运行期间的变形情况。132.22.2 深水区深水区 105m105m 连续梁连续梁除主航道桥的监测外，还选择深水区 10

10、5m 跨连续结合梁布设观测仪器，对连续梁的结构静力、温度以及桥梁不均匀变形进行监测，主测断面选择布设在连续梁主跨跨中所在的 8箱梁，详细监测仪器布设见设计图纸“105m 连续梁桥监测仪器总布置图”及各“截面传感器布置图” 。具体监测布设如图 2，详述如下：1415图 2 105m 连续梁监测布置图1617182.2.12.2.1 连续梁结构静力监测连续梁结构静力监测选择在 2箱梁中间部位、3、7箱梁墩台支点处以及 8箱梁的中间部位，布设应变计对箱梁的静力进行监测。这四个观测截面所有布设的应变计沿纵向布设，每个观测断面共布设 8 支应变计，其中 2 支为混凝土应变计，布设在顶板下部箱梁内侧，其余

11、 6 支为钢应变计，布设在箱梁下部的钢体内侧。在2、3、7、8箱梁上紧贴度变计各布设 8 支温度计用于温度补偿。8箱梁除了布设的 8 支温补用温度计外，再加布 3 支钢温度计和 3 支砼温度计，以监测钢体及混凝土温度。2.2.22.2.2 温度监测温度监测为监测箱梁结构的温度，在连续梁仅布设一个观测断面，该断面选择在连续梁主跨跨中的 8箱梁上，其中在顶部混凝土板的上面布设 3 支度计，下面布设 2 支温度计，作温补的同时也监测混凝土温度。在箱梁底部的钢体上布设9 支温度计，监测钢体温度，同时为应变计作温补。另为监测环境温度，在箱梁内部布设 1 支气温计。192.2.32.2.3 连续梁不均匀沉

12、降变形连续梁不均匀沉降变形为监测连续梁可能的不均匀沉降变形，选择在连续梁每跨跨中及墩台支点处，各布设一个沉降测点，采用静力水准系统进行观测，共布设一套该监测系统，共布设测点 21 个。2.32.3 各监测项目技术要求各监测项目技术要求针对上述各监测项目的仪器，按本项目设计目标的要求，对其测量范围、测量精度以及测读频次，设计要求如下：2.3.12.3.1 主通航桥主通航桥1、混凝土及钢结构静力监测的应变计要求测量范围至少 2000，测量精度 1，采样频率为 20Hz。2、混凝土及钢结构温度监测以及环境大气温度监测的温度计（气温计）要求测量范围至少在-2070，测量精度 0.2，采样频率为 1mi

13、n/次。3、梁端转角变形监测用于梁端位移监测的位移计，量程 200mm，测量精度 1mm，采样频率为20Hz。用于监测梁端横向倾斜的倾角计，量程2，测量精度 0.1，采样频率为 10min/次。4、阻尼器位移监测的位移计用于阻尼器位移监测的位移计，量程 200mm，测量精度 1mm，采样频率为20Hz。2.3.22.3.2 105m105m 跨连续梁跨连续梁1、混凝土及钢结构静力监测的应变计要求测量范围至少 2000，测量精度 1，采样频率为 20Hz。2、混凝土及钢结构温度监测以及环境大气温度监测的温度计（气温计）要求测量范围至少在-2070，测量精度 0.2，采样频率为 1min/次。3、

14、连续梁不均匀沉降监测的静力水准仪要求测量范围 50mm，测量精度为 0.1mm，采样频率为 2 次/天。202.42.4 监测仪器工程量监测仪器工程量依据上述监测设计布置，各部位布设的监测仪器工程量清单如下表 1。表 11主通航桥监测仪器工程量清单主通航桥监测仪器工程量清单序号监测部位与监测项目仪器名称类型单位数量测点部位1钢纵向应变计光纤光栅支44钢箱梁内部2结构静力钢横向应变计光纤光栅支8钢箱梁内部3钢温度计光纤光栅支50钢箱梁内部4结构及环境温度大气温度计支3跨中桥面上方/箱梁内腔5位移计光纤光栅支4梁端6梁部梁端转角变形倾角计振弦支4梁端7结构静力砼纵向应变计光纤光栅支8塔砼内部8结构

15、温度砼温度计光纤光栅支16塔砼内部9塔部环境温度大气温度计支1塔砼内部10阻尼器变形位移计光纤光栅支4阻尼器上表 12深水区深水区 105m105m 跨连续梁结合桥工程量清单跨连续梁结合桥工程量清单序号监测项目仪器名称类型单位数量测点部位1钢纵向应变计光纤光栅支24箱梁内部2结构静力砼纵向应变计光纤光栅支8箱梁内部3钢温度计光纤光栅支27箱梁内部4砼温度计光纤光栅支11主跨跨中5结构及环境温度大气温度计支1主跨跨中6结构变形静力水准仪振 弦套21跨中/支点3 3、监测仪器选型、监测仪器选型3.13.1 选型依据选型依据由于桥梁空间跨度大、约束点多、结构变形复杂，为获得反映整个桥梁健21康状态的

16、参数，需要在桥梁的各个重要部位设计布设并安装各种不同类型的传感器。这些不同类型的传感器离散的分布在桥梁上，组成传感器网络，而要实时获取这些传感器的监测数据，需要配套建立起自动采集系统，而比较各类采集系统，采用分布式数据采集系统是最适合工程需要的。另外由于桥梁空间跨度较大，经常是几百米甚至上千米，这就要求这个数据采集系统具有一定远距离数据采集和数据传输能力。而且做为桥梁长期实时监测系统，一般都要把该系统放置在离桥梁有些距离的桥梁监控室，所以这就要求测试系统中的传感器也需要有一定的远距离信号传输能力。3.1.13.1.1 光纤光栅传感器光纤光栅传感器光纤光栅（fiber Bragg grating

17、, FBG）传感器作为一种新型光纤传感器，可以用来测量包括应变、应力、温度、 振动、压力、电压以及一些化学量等多个物理量，其应用领域非常广泛。同时 FBG 传感器阵列可以实现分布式的传感器网络，对被测对象进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的，而且其传输距离可以达 50 多公里，能进行动态监测。光纤光栅传感技术是利用传感器内部敏感元件光纤光栅反射的光学频谱对温度、应力的敏感特性，通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以图表和数字方式给出各监测点的温度、应变、位移、压力等物理量信息。1、光纤光栅的

18、制作。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤（直径为 0.125mm0.25mm）的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其制作方法如下图 3 所示。22图 3 光纤光栅制作示意制作完成后的光纤光栅相当于在普通光纤中形成了一段长度为 10mm 左右的敏感区，可以准确感测温度、应力的变化。2、光纤光栅的工作原理。如下图 4 所示。光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；

19、其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度和应变的改变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回。由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。图 4 光纤光栅工作原理示意光纤光栅的上述特性使之成为温度、应变、压力、加速度、位移等物理量的优异测量敏感元件，并且可以同时实现多个物理量的准分布式测量，因此，宽带入射光剩余宽带透射光窄带反射光光纤包层Cladding光纤纤芯Core23光纤 Bragg 光栅成为大型结构长

20、期健康监测的最佳选择。其主要技术优势包括：容量大。可在一根光纤上同时测量几十个点的温度、应变、压力、位移、振动等多种参量。单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。测量精度高。以光波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素影响；精确的透射和反射特征（小误差）使其更加准确的反映了应力、温度等的变化。无零漂：出厂后不需要定期检定，系统维护成本很低；可靠性好、抗干扰能力强。光纤探测并直接进行信号传输，现场不需供电，不受电磁及核辐射干扰；光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的损耗的影响。传感头结构简单、尺寸小

21、，适于各种应用场合，便于安装，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。长寿命。抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作。而基北京康仪器科技有限公司生产的光纤光栅传感器采用独特的切趾光栅切趾光栅技术技术，其与普通均匀光栅传感器相比，性能更稳定，出现意外光能量损耗过大时，仍能精确测量，不会误报警，使各类传感器串接链测量时更可靠，接入的仪器数量也更多。切趾（apodization）又叫变迹，就是使光栅的折射率调制度中间高两边逐渐减小，其函数形式包括高斯函数、三角函数等等。两类光栅光谱图如下图 5 所示。24 图 5-1均匀光栅光谱图 图 5-2切趾光栅光谱图3.1.23.1.2 振弦传感

22、器振弦传感器振弦传感器作为传统监测仪器一种，由美国于 20 世纪 70 年代中期发明并于 80 年代后期进入中国，其特点是体积小精度高、长期稳定性好；由于仪器全部采用不锈钢制成，所以该类型的仪器适合于各种恶劣的环境并具有长达 50 年以上的设计寿命。振弦式仪器目前已经成为国际、国内上工程安全监测的主流仪器。它相比于差阻式、电感式、电容式等类型传感器，对仪器电缆的绝缘要求较低，甚至能在裸露电缆情况下仍可以准确地测量，并且电缆引设距离一般能达到 23km 而信号稳定，除此之外，其还具有长期稳定性好、便于实现自动化的特点，传感器标准信号输出，能兼容到市场主流的自动化采集系统中，不足之处是实现动态测量

23、成本过大而不被推荐。因此，在不需要动态测量的场合，振弦仪器是常规监测仪器的首选产品之一。振弦工作原理如下图 6 所示，振弦式仪器通是将固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来获取钢弦的张力应变等物理量，钢弦的振动频率与弦的张力之间的关系为：mFLfw21这里f 钢弦的谐振频率LW钢弦的长度m钢弦的质量N钢弦的张力。 钢弦 激励/接收线圈 弹簧或其它位移放大装N（张力） 数据采集设备 电缆 图 6振弦仪器工作原理示意25224fmlN 实际工作过程是：读数仪或数据采集装置通过仪器电缆给传感器产生一个变频的激励信号，线圈产生的交变磁场使钢弦产生振动。钢弦振动后将切割磁力线使线圈

24、产生感生电压，其信号通过电缆反馈到处于接收状态的数据采集所接收，通过测量信号频率而得到钢弦的振动频率。因此，振弦传感器因输出的频率信号而适用于远距离传输。根据振弦谐振频率与其受到的张力之间的关系表达式，可见钢弦受到的张力的与其谐振频率成非线性关系，但张力与谐振频率的平方成线性关系，图示如图 7，即：如果令 F=f2/1000 ，G4ml2（线性系数） ，即有 N=G(F1-F0)这里 N张力变化量F0初始频率模数（通过测量获取） F1当前频率模数（通过测量获取 G仪器的线性系数（通过测量获取） 注：由于钢弦长度l在受到张力作用下会产生变化，但这种变化相对于钢弦初始始长度表现为无穷小量，故可忽略

25、不计。但在对仪器进行出厂检验时，其变化量已包含在线性系数 G 中。02000400060008000100001200001020304050张力（N)频率(Hz)020004000600080001000012000频率模数(103Hz2)频率频率模数26图 7钢弦张力与谐振频率及频率模数的关系根据美国垦务局及陆军工程师团在数十座大坝长期使用弦式仪器的经验，美国基康公司( GEOKON)为代表的弦式仪器专业制造商生产的仪器，具有令人满足的长期稳定性。基康的每支振弦式仪器均由两个传感器构成，即用于测量主要物理量（如应力、应变、压力与位移等）振弦式传感器与一个热敏电阻温度传感器组成，即每支振弦式

26、传感器可兼测温度并提供温度补偿。基于以上分析，在本工程中选取的监测仪器，需要动态测量的以光纤光栅传感器为主，其他选择振弦仪器。具体选取的各类仪器主要技术指标如下：3.23.2 应变计应变计安装在主通航桥及 105m 跨连续梁桥结构上的应变计，选用 BGK-FBG-4000型光纤光栅传感器，其主要技术指标为：测量范围：2000精度：5标定距离：60mm使用温度：-20+80安装方式：焊接或螺孔安装尺寸：6020mm具体性能详见光纤光栅应变传感器检测报告3.33.3 温度计温度计安装在主通航桥及 105m 跨连续梁桥结构上的温度计以及用于监测环境气温而设置的气温计，选用 BGK-FBG-4700

27、型光纤光栅传感器，其主要技术指标为：测量范围：-30+80精度：0.5耗散系数：23mw/安装方式：埋入或粘附尺寸：78mm具体性能详见光纤光栅温度传感器检测报告273.43.4 位移计位移计安装在主通航桥梁端以及阻尼器部位的位移计，采用 BGK-FBG-4400 型光纤光栅传感器，其主要技术指标为：测量范围：200mm精度：1mm使用温度：-30+803.53.5 倾角计倾角计安装在主通航桥梁端的倾角计，采用 GK-6350 型振弦传感器，其主要技术指标为：量程：10灵敏度：10 弧秒精度：0.1%F.S.（优于 0.01）温度范围：-20503.53.5 静力水准仪静力水准仪安装在 105

28、m 跨连续梁结合桥的静力水准系统，其静力水准仪采用 BGK-4675型振弦仪器，其主要技术指标为：测量量程：50mm分辨率：0.02%F.S.(最小)精度：0.1%F.S.（优于 0.05mm）温度范围：-20+804 4、健康监测子系统方案、健康监测子系统方案为及时对桥梁结构状态进行监控与评估，达到为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导的目的，需要在上述布设的监测仪器基础上，建立相应的自动化采集系统，及时迅速掌握大桥的动态工况，及时发现并分析潜在的问题。自动化采集系统方案设计遵循如下原则：281、系统可靠、功能实用、组网合理、

29、维护保养方便。2、系统应具有开放性：采用国际主流技术和平台，以适应系统的发展，使系统具有良好的纵向和横向的兼容性，为系统集成预留有接口。3、系统应具有可扩展性：设备可方便地通过添加模块，增加远程端口和本地端口数，为将来系统规模扩大和接入新的分中心提供网络接口。4、自动监测仪器和系统必须正确反映建筑物的工作性态和不同时期的实时变化情况，仪器及系统性能要求低故障、高可靠性。系统建成后，必须是能够长期稳定运行的实用性系统。因而，对采集设备的选择遵循：应采用低故障率、高可靠性并经过现场考验的监测系统设备。采用分布式数据采集系统，降低故障率，提高准确性和采集速度，扩展性强。充分考虑防潮、防雷、抗干扰等技

30、术措施，把由于自然、人为因素造成的系统损坏降至最低。采集软件要简单实用，功能强，容易操作，数据库开放，能与第三方数据处理分析管理软件兼容。在高可靠性的基础上选用先进的系统，使建成后的系统达到国内或国际先进水平。而监测自动化采集系统主要有集中式、分布式、混合式三种基本形式。各类型系统特点分述如下：集中式自动化监测系统，是将现场数据采集自动化，数据运算处理自动化及资料异地传输均集中在专设的终端监测室内进行。布设在各处的传感器经集线箱(或切换装置)与观测室内采集装置相连，通过集线箱切换对传感器进行巡测或选测。集线箱到采集装置之间传输的是电模拟量，抗干扰能力较差，可靠性较低。而且不同的传感器要用不同的

31、集线箱和专用的测量设备。分布式自动化监测系统，是一种分散采集、集中管理的结构，是将MCU(Measureand and Control Unit)测量控制单元分布在传感器附近，而 MCU具有模拟量测量、A/D 转换，数据自动存储和与上位机进行数据通讯等功能。每个测控单元可看作是频率、脉冲、电压、电阻等某种测量信号的独立子系统，29各个子系统彩集中控制，所有监测数据经总线输入上位计算机集中管理。这种结构的优点是：测控单元就近传感器，缩短了模拟量传输距离，由测控单元传输出去的都是数字量，即使一个子系统发生故障也不会影响整个系统运行。混合式是介于集中式和分布式之间的一种结构模式。它具有分布式布置的外

32、型，而采用集中方式进行采集的系统。设置在传感器附近的遥控转换箱类似MCU，虽可汇集其周围传感器信号，但不具备 MCU 的 A/D 转换和数据存储功能。其传输的模拟信号汇于一条总线中，集中到监控站进行集中测量和 A/D 转换，然后将数字量送入计算机进行存贮处理。综上所述，本工程自动化采集系统选用分布式结构。基于以上原则以及监测仪器选择以及采样频率的要求，相应建立其光纤仪器采集子系统和振弦仪器采集子系统，其采集设备及系统有关方案情况说明如下：4.14.1 光纤仪器采集子系统光纤仪器采集子系统4.1.14.1.1 光纤仪器监测子系统组成及功能光纤仪器监测子系统组成及功能本光纤仪器监测子系统主要由光纤

33、光栅传感器系统、光纤光栅网络分析仪系统、光纤传输网络、信息处理与分析软件系统组成。各部分功能说明如下：1、光纤光栅传感器系统该系统应用先进的准分布式光纤光栅传感技术，通过各种不同功能的光纤光栅传感器，将被测的不同形式的物体量（如应变、温度、位移等）转变成光信号，直接通过光缆进行远距离传输。本工程涉及的光纤光栅传感器有：光纤光栅温度传感器，钢表面及混凝土表面安装的应变计，光纤光栅位移传感器。2、光纤光栅网络分析仪系统该系统的功能是通过放置在监控机房的光纤光栅传感解调仪将光纤光栅传感器经光缆远程传输过来的光信号直接进行解调，并以温度、应变、位移等物理量的方式，根据主工作站（或服务器）的要求进行数据

34、上传或信息上报。3、光纤传输网络主要由主干传输光缆构成，用于将桥梁监测现场布设的光纤光栅传感器网络与桥梁监控机房内的光纤光栅解调仪系统进行连接。4、信息处理及分析软件系统30该系统是安装在监控计算机上的软件系统，用于收集、处理、显示和存储各监测仪器的数据和信息，为桥梁的安全运营与维护管理提供科学的决策依据和指导。5、系统的建成后可实现的目标报告桥梁的工作温度环境报告桥梁的主要结构的实际内力分布状况为鉴别桥梁的主要结构是否有损害，或累积性损坏提供决策依据给桥梁的营运管理和维修决策者提供桥梁的警告信息4.1.24.1.2 本系统监测内容及接入仪器本系统监测内容及接入仪器根据监测设计，监测区段为 P

35、M52PM59 的 105m 连续梁结合桥段以及 PM59-PM64 的主航道桥段。监测的内容主要包括结构温度（包括砼结构温度、钢结构温度） 、环境温度（大气温度计）以及结构静力（钢应变、砼应变）和结构变形（梁端转角变形、阻尼器变形）等。具体接入本系统的监测仪器为：1、主通航桥包括梁部以及塔部的监测仪器，全部接入系统中，共计 112 支。其中：箱梁。共计布设 106 支，详述如下： 1）用于钢箱梁静力监测、布设在 5 个观测截面的应变计共计 52 支（其中纵向 44 支，横向 8 支） ；2）用于钢箱梁结构温度监测的温度传感器 50 支（同时也起到应变计温度补偿的作用） ；3）用于监测环境气温

36、的大气温度计 3 支（非光栅温度计） ；4）梁端位移监测的位移计 4 支（温度自补偿形） 。主塔及阻尼器。共计布设 28 支，详情如下：1）用于主塔混凝土结构静力监测的应变计 8 支；2）用于主塔混凝土结构温度监测的温度传感器 16 支；3）用于环境温度监测的大气温度计 1 支（非光栅温度计） ；4）安装在阻尼器上用于变形监测的位移计 4 支（温度自补偿形） 。2、105m 跨连续梁结合桥接入系统的主要为箱梁的监测仪器，共计 70 支，详情如下：311）用于箱梁结构静力观测的应变计 32 支；2）用于箱梁结构温度监测的温度传感器 38 支（同时也起到应变计温度补偿的作用） ；3）用于环境温度监

37、测的大气温度计 1 支（非光栅温度计） 。上述共计上述共计 204204 支仪器全部接入光纤仪器监测子系统中。支仪器全部接入光纤仪器监测子系统中。4.1.34.1.3 系统网络通讯结构设计系统网络通讯结构设计本光纤仪器监测子系统依据接入的仪器以及系统功能组成，设计的网络通讯拓扑结构图如下图 8 所示。监控机房监监控控计计算算机机网网络络交交换换机机应变计光光纤纤网网络络现场光纤传感器网络系统说明：计算机网络光纤系统不在本方案内光纤光栅传感器网络分析仪主主干干传传输输光光缆缆以以太太网网线线应变计温度计温度计位移计基基康康专专用用铠铠装装单单芯芯光光缆缆位移计应变计应变计应变计温度计图 8光纤仪

38、器采集子系统通讯网络拓扑图4.1.44.1.4 现场采集设备配置现场采集设备配置光纤仪器采集子系统的现场采集设备即光纤光栅网络分析仪系统，采用BGK-FBG-8300 型高速光纤光栅解调仪，其与各光纤光栅传感器的连接即光纤传输网络采用专用重铠直埋式单芯光缆作为主干光缆。1、BGK-FBG-8300 型高速光纤光栅解调仪功能特点BGK-FBG-8300 是目前世界上最先进的高速光纤光栅解调仪，也是世界上第一款能实现同步 8 通道 320Hz，1000Hz 动态测试的光纤传感32分析仪。该设备基于嵌入式设计，采用高速数字滤波技术，使系统稳定性更好，精度更高，每个通道可可连接多个传感器，轻松实现动态

39、监测。采用该光纤光栅网络分析仪的系统具有以下特点：具有更高的速度：可实现 8 通道 320Hz 同步测试（最高可达 1kHz） ；设备采用查询式工作方式，可通过软件控制硬件扫描，扫描频率可调，用户可根据不同需要自行选择扫描频率；系统采用网口传输数据，真正做到长期稳定监测；采用实时动态校准，通过高精度的波长标准具及光栅进行校准，保证系统的长期测试精度要求；分辨率小于 1pm，重复性 2pm；可为用户提供内部数据接口程序及数据翻译软件，在操作界面上有更大的自由度；设备采用精致坚固的外形设计，便于携带，又能很好地适应恶劣野外环境；系统也适合施工过程中的动态监测。2、BGK-FBG-8300 型高速光

40、纤光栅解调仪主要技术指标光学指标光学指标 通道数 8 每通道最大 FBG 传感器数量 20波长范围 15251565nm 绝对精度 3pm 分辨率 1pm 典型 FBG 间隔 0.5nm 扫描频率320Hz、1000Hz（范围内可选）动态范围15dB光学接头 FC/APC FBG 要求切趾，边模15dB电器特性电器特性 电源 110VAC/220VAC（手动可选） 接口 以太网口机械特性机械特性 尺寸 295X291X116mm工作温度 5 45 3、设备配置依据 BGK-FBG-8300 型高速光纤光栅解调仪的性能容量，以及系统接入的传33感器数量和分布情况，本系统配置两台该型号的高速光纤光

41、栅网络分析仪，预留一部分通道，作为扩展使用。将两台光纤光栅网络分析仪置于主通航桥设置的 ST3 机柜内，将监控计算机安装在 ST3 机柜内。接入的传感器情况如下表2。表 2 光纤光栅解调仪各通道接入仪器详表光纤光栅解调仪各通道接入仪器详表序号序号监测断面位置监测断面位置传感器类型传感器类型数量数量分析仪分析仪编号编号通通道道备注备注钢纵向应变计611砼纵向应变计211砼温度计512钢温度计9121105m 跨连续梁截面 8大气温度计1非光栅温度计（补偿）813钢纵向应变计6132105m 跨连续梁截面 7砼纵向应变计213钢纵向应变计614砼纵向应变计2143105m 跨连续梁截面 3温度计（

42、补偿）84钢纵向应变计615砼纵向应变计2154105m 跨连续梁截面 2温度计（补偿）8155主通航桥截面 1（梁端）位移计216钢纵向应变计8166主通航桥截面 3温度计（补偿）816钢纵向应变计8177主通航桥截面 5温度计（补偿）8178阻尼器监测仪器（PM61)位移计218砼纵向应变计418砼温度计8189主塔监测仪器（PM61)大气温度计1非光栅钢纵向应变计1221钢温度计182210主通航桥截面 9钢横向应变计82334大气温度计3非光栅砼纵向应变计42411主塔监测仪器（PM62)砼温度计82412阻尼器监测仪器（PM62)位移计224钢纵向应变计82513主通航桥截面 13温

43、度计（补偿）825钢纵向应变计82614主通航桥截面 15温度计（补偿）82615主通航桥截面 17（梁端）位移计223无备用27无备用284.1.54.1.5 光纤传输布线说明光纤传输布线说明 本子系统设计沿着连续梁布设一条 12 芯主杆传输光缆，命名为 1#主光缆，1#光缆与 ST3 机柜内的 1#光纤光栅分析仪相连。连续梁各截面上布设的传感器由基康专用单芯铠装光缆经串联后接入 1#主光缆。沿主航道桥的方向铺设一条主干通信光缆，即 2#主光缆，同样选用 12 芯的重铠光缆。2#光缆由主通航桥截面 1 及 17（梁端）开始，通往 ST3 机柜内的2#光纤光栅分析仪。将主通航桥各截面传感器串连

44、起来，接入主干光缆，再通过主干光缆将光信号传输给光纤光栅分析仪。各通道串连传感器，使用基康专用单芯铠装光缆。主干光缆使用其中 8 芯，预留 4 芯备用，两台光纤光栅分析仪通过以太网接入主控计算机。以下是光缆的连接布线图：354.1.64.1.6 软件说明软件说明为 BGK-FBG-8300 型高速光纤光栅解调仪配置的监控软件，基于 windows 操作系统开发，界面友好实用。常用软件视图及功能说明如下（不仅限于此）：波长视图。将对应每个传感器的波长值、功率值以数字表格形式显示。同时显示所有传感器的波长功率曲线。如图 9 所示。应力温度视图。显示每个传感器的原始波长、当前波长、波长变化量、应变系

45、数、温度系数、应变量以及温度变化量，简明直图 9 波长视图36观。同时应变系数、温度系数可调，便于校准。其他仪器具有类似视图。如图10 所示。动态视图。可选某个传感器进行动态监测，显示波长时间曲线。扫描速率和扫描次数可由用户设置。如图 11 所示。数据分析查询视图，可随时对保存的数据进行查询分析，并将分析曲线显示在屏幕上，同时可直接对此分析曲线进行打印输出。如图 12 所示。 图 10 应力温度视图图 11 动态视图图 12 数据分析查询视图4.1.74.1.7 光纤仪器采集子系统工程量清单光纤仪器采集子系统工程量清单依据上述方案设计，光纤仪器自动采集子系统的仪器设备工程量清单见表3。表 3光

46、纤仪器采集子系统仪器设备工程量表光纤仪器采集子系统仪器设备工程量表序序号号仪器设备名称仪器设备名称单位单位数量数量规格说明规格说明1光纤光栅应变计支92BGK-FBG-40002光纤光栅温度计支104BGK-FBG-47003光纤光栅位移计支8BGK-FBG-44004基康专用串接仪器光缆米1600铠装，单芯5通信光缆米200012 芯重铠光缆376光纤光栅网络分析仪台2BGK-FBG-8300，8 通道7光纤熔结盒个25市购8光纤终端盒个3市购9监控计算机台1包括主机，显示器10稳压电源台3市购4.1.84.1.8 方案特点方案特点综合上述说明，本光纤仪器监测子系统方案具有以下特点：1、准分

47、布式全光测量及传输光纤光栅传感器本身为无源器件，传感信号的感测及传送均为光信号，因而监测现场没有电子设备，不受电磁干扰，无系统零飘现象。2、测试精度高且具有准确的测点空间定位能力光纤光栅传感器结构小巧且布设距离没有限制，可以准确定位各测点的空间位置。3、实时性好系统中所有监测点的单次测量频率均可满足 20Hz 的要求。4、系统安装及长期使用过程中无需标定光纤光栅本质稳定，不存在零点漂移。由于光纤光栅采用光中心波长表征温度测量值，属于数字量，光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度。光传感网络分析仪无可动部件，长期使用无需标定。5、高可靠性每条传感链

48、的首端及尾端均通过接头引出，正常工作过程中只需将首端接头连接到监控机房的网络分析仪上即可实现所有测点的远程自动监测。一旦施工或使用过程中由于不可抗拒因素导致传感链断损，可以将该传感链对应的尾端接头连接到监控机房分析仪，此时该传感链的所有传感器以断点为界分别经由首端接头和尾端接头将各自测量信号传送给监测站，实现传感链的愈合。6、使用寿命长4.24.2 振弦仪器采集子系统设备选择振弦仪器采集子系统设备选择根据工程特点及设计的要求，振弦仪器自动化采集子系统采用 BGK-38MICRO40 型分布式网络测量采集设备。该子系统以 105m 连续梁桥的静力水准系统为主，另对振弦倾角计设置一台采集单元。以下

49、以静力水准系统为主进行说明。4.2.14.2.1 静力水准测量原理及结构静力水准测量原理及结构1、测量原理静力水准仪依据连通管原理的方法，用 4675 型振弦传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉降变形量。原理说明如下：如下图 12 所示，被测建筑物共布设有 10 个测点，1 号点为相对基准点，初始状态时各测量安装高程相对与（基准）参考高程面H0 间的距离则为：Y01、Y02Y0iY10(i 为测点代号 I=1,210)；各测点安装高程与液面间的距离则为 h01、h02、h0ih10 则有： Y01h01Y02h02=Y0ih0i=Y10h10(1)12

50、10.hj10hj2hj1hjiH0任意次状态（j）hj1hj2hjihj10Y01+hj1Y02+hj2Y0i +hjiY10+hj10Y10Y02Y011210.Y0ih10h02h01h0iH0初始状态（0）图12 静力水准测量原理示意图当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程相对于基准参考高程面H0 的变化量为：hj1、hj2hjihj10 （j 为测次代号，j=1，2，3 ） ；各测点容器内液面相对于安装高程的距离为 hj1、hj2、hji、hj10。由图可得：（Y01hj1）+hj1（Y02hj2）hj239（Y0ihji）hji（Y10hj10）hj10(2)则 j 次测量 i 点相

51、对于基准点 1 的相对沉陷量 Hi1Hi1hjihj1(3)由（2）式可得：hj1hji(Y0ihji)(Y01hj1)(Y0i-Y01)(hji-hj1) . (4)由（1）式可得：(Y0iY01)(h0ih01) (5)将（5）式代入(4)得：Hi1(hjihj1)(h0ih01). (6)即只要用振弦传感器测得任意时刻各测点容器内液面相对于该点安装高程的距离 hji（含 hj1 及首次的 h0i） ，则可求得该时刻各点相对于基准点 1 的相对高程差。如把任意点 g（1，2，i）做为相对基准点，将 f 测次做为参考测次，则按（6）式同样可求出任意测点相对 g 测点（以 f 测次为基准值）的

52、相对高程差 Hij：Hig(hijhig)(hfjhfg) (7)2、仪器结构 传感器通气管 容器通气管 电缆 通液管 通气管接头 传感器 容器通气管接头 容器 连接螺栓 支座 通液管接头 图 13静力水准仪结构图40如图 13 所示，仪器由主体容器、连通管（通液管和通气管） 、振弦传感器等部分组成。4675 型静力水准仪是采用振弦式传感器配合浮筒来测量水位变化的。仪器的上部安装有振弦式力传感器，浮筒悬挂在传感器上，当仪器主体安装墩发生高程变化时，通过支座安装在墩上的主体容体相对于位置产生液面变化，即浮筒周围的水位产生了变化，浮筒受到的浮力变化将导致振弦传感器张力产生变化，通过测量振弦的频率变

53、化即可获取水位的变化，从而引计算得测点的相对沉陷。4.2.24.2.2 BGK-MICROBGK-MICRO4040 型采集设备功能概述型采集设备功能概述BGK-MICRO40 型分布式网络测量系统（以下简称测量系统） ，是基康仪器（北京）有限公司利用最新的电子测量技术推出的用于工程安全自动化测量的新一代产品。系统基于 WINDOWS98/2000/NT/Me 工作平台，集用户管理、测量管理、数据管理、通讯管理于一身，为工程安全的自动化测量及数据处理提供了极大的方便和有力的支持。测量系统由计算机（安装 BGK-MICRO 安全监测系统软件） 、BGK-MICRO-MCU 分布式网络测量单元（内

54、置 BGK-MICRO 系列测量模块） 、智能式仪器（可独立作为网络节点的仪器）等组成，可完成各类工程安全监测仪器的自动测量、数据处理、图表制作、异常测值报警等工作。测量系统的电源、通讯线路设计有抗雷击 1500W、抗瞬变干扰措施，传感器输入口设计有抗雷电感应、抗瞬变干扰措施，测量单元在雷电、电源级瞬变干扰、8KV 静电放电的条件下可正常工作；测量系统具有测量精度高、测值稳定的特点，满足混凝土坝安全监测技术规范对各类仪器的测量要求；测量系统可接入差动电阻式、振弦式、标准电流电压信号、智能式等各种仪器；测量系统能通过专线、无线、光纤、电话线等多种通讯介质进行网络通讯，适应各种通讯要求；测量系统设

55、计有完善的自检功能，能够正确反馈网络的配置信息，每个41单元的工况。测量单元具有使用方便、易维护、易扩展等特点，可构建成满足大、中、小各种工程需要的测量系统，系统对可接入的仪器类型、仪器数量没有限制；测量单元采用了最新的大规模集成电路，体积小、价格低、性能优，每个测量单元可接入的仪器数量多；测量单元设计有专门的电源管理系统，可使用 220V AC、12V18VDC 等供电电源。内置 6V 可充电免维护电池，在外部供电电源中断的情况下可继续正常工作；测量单元设计有实时时钟和掉电保护数据存储器，能按多种定时方式和实时方式进行自动测量，真正实现了无人值守功能；测量单元配置的 BGK-MICRO 系列

56、模块采用智能化、模块化、标准化设计，具有设置灵活、通用性好、安装维护方便等特点。4.2.34.2.3 系统网络通讯结构设计系统网络通讯结构设计根据现场的实际情况，建立起一个符合有关技术规范、满足桥梁结构正常安全运行需要、高效、可靠、方便的自动化健康监测系统。监控计算机上安装相应的数据采集软件，通过 RS485 通讯电缆，和智能采集单元（MCU）通信。其向上通过光纤网络与监控中心管理主机连接，详见系统拓扑结构图，如图 14。监控机房监监控控计计算算机机网网络络交交换换机机稳压电源光光纤纤电电源源线线R RS S4 48 85 5通通讯讯线线现场采集单元说明：计算机网络光纤系统不在本方案内图 14

57、 静力水准自动采集子系统网络结构拓扑图系统拓扑结构设计的说明：42(1)在监测区段，智能采集单元通过 RS485 通信线与监控计算机连接。(2)本静力水准采集子系统方案中仅需采用一台 BGK-MICRO-40 型测控单元，配置 2 个扩展模块，提供 24 个测量通道，纳入系统中的 21 支传感器、占用 21个测量通道。(3)综合系统各单元距离以及传感器本身具有一定远距传输信号能力，不需要另配其他中继模块，保证系统的可靠性。4.2.44.2.4 设备主要技术参数设备主要技术参数(1)最大通道容量： BGK-MICRO-MM 测量模块： 8；BGK-MICRO-CH 扩展模块： 8(2)测量精度：

58、频率： 0 .051Hz（振弦式）温度： 0.1（振弦式）电阻比0.0001（差阻）电阻和0.01（差阻）(3)分辨率：频率： 0.01Hz（振弦式）温度： 0.03（振弦式）电阻比：0.00001（差阻）电阻和：0.001（差阻）(4)每通道测量时间： 3 秒 (5)通信方式：采用 RS485,屏蔽双绞线时，通讯速率：9600bps(6)传输距离：大于 1200m（长距离通信方式可采用 modem、无线或光纤） ；(7)数据存储容量： 256K(8)电源系统供电方式：6-18 直流， 220V 交流任选；电池：免维护，6V 4AH(10AH)任选系统功耗：掉电：200uA休眠：10mA待机：

59、30mA测量：60mA(9)工作温度：-1060存储温度：-35704.2.54.2.5 BGK-MICROBGK-MICRO 采集软件采集软件1、软件概述BGK-MICRO 监测系统采集软件通过自动观测接口录入或人工录入数据，以数据库的形式进行长序列数据的组织、存贮和管理，经过数据可靠性检查、计算等过程，形成多种图形及汇总资料，实现交互式综合判断，以达到控制 BGK-43MICRO-40 型采集设备的目的。2、软件主要特点：安全可靠依据用户登陆的级别不同，允许不同的操作；工作日志自动记录操作者进入及退出系统的时间，重要操作的使用情况。操作方便，界面清晰、直观软件提供快捷工具条，以便于操作；系

60、统状态检测，直观明了；在测量及数据处理时，提供进程提示或文字提示；观测选择方便可靠，测量单元、仪器类型、单支仪器选择任意组合。实时采集、定时采集兼有，相互补充定时采集可选择性地取回测量单元存储的部分或全部测量数据；自动上报可实时传送测量数据。自动采集、人工录入、人工录入皆可，相互完善数据库的编辑、查询测值曲线、报表即时生成，浏览、打印工程文件、系统参数的编辑、修改数据备份针对不同用户的需求，可设计定期备份。数据远传为了分析数据，设计了数据远传功能，以便用户与厂家或上级资料分析中心进行数据交换。4.2.64.2.6 现场测控单元配置现场测控单元配置1、接入仪器静力水准采集子系统，接入 105m