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关于光纤光栅水流流向传感器的研制
摘要：为了实时监测大跨桥梁建设与运营过程中的水流流向变化,以有效分析和掌控水流对桥墩的冲刷,维护水中墩台基础,利用SolidWorks软件设计了一种基于光纤传感技术的水流流向监测传感器。该传感器由万向板、凸轮推杆等结构组成,通过将水流的流向转化成金属丝的拉压应变,实现对不定向水流流向的实时监测。利用凸轮推杆机构在拉压过程中的偏转角度的不同,能够实现正负180°流向的区分。对水流流向的理论计算公式进行了合理推导,并进行了室内传感器标定试验。结果表明:该传感器可以实现360°实时在线监测水流流向变化,误差始终保持在6%以内,具有较高的精度。该传感器的设计使用能够为桥梁施工建设和安全运营以及水文环境监测提供技术支撑。
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随着我国“一带一路”与“建设交通强国”战略的提出,我国在桥梁工程建设领域取得了诸多举世瞩目的成就,如港珠澳大桥、平潭海峡公铁两用跨海大桥等,我国桥梁建设事业总体进入历史上最好发展时期。但大跨桥梁在施工与运营过程中,施工平台与桥墩基础都将不可避免的受到水流冲刷等因素的影响,从而出现墩台基础动力软化、材料侵蚀老化等现象,导致结构构件及整体抗力的衰减,影响结构的安全度与耐久度。因此,实时监测水流流向变化,对有效分析和掌控水流对施工平台和桥墩的冲刷,合理维护水中墩台基础,确保施工过程和运营期间的安全具有重要意义。
水流流向的测量方式,最常见的有机械式、热线式、电磁式、多普勒光学式、GPS式和放射性同位素式[1]。机械式流向传感器主要利用流体带动机械转子旋转来测量流向。魏泽文等[2]提出了一种基于电容和压阻测量的非热式流向传感器,但是其灵敏度比较低。王沛云等[3]研发的流向磁阻传感器具有高精度、低功耗等特点,但其也因易受电磁环境干扰而无法大规模应用。日本ALEC公司和英国Valeport公司研制的电磁海流计[4,5],可以根据使用环境不同选择不同结构对水流流向进行测量,但其对被测流体的电导率、磁场分布等要求较高。基于GPS/GPRS技术的流向测量,主要采用了事后差分处理和实时差分处理技术[6],但这两种技术更适合大规模、长距离的流向监测。赵新华等[7]利用同位素,对地下水的流向等运动规律进行测量,但是其不适用于定点监测的研究。近年来,光纤传感技术以其测量精度高、体积小、不易受外界电磁环境干扰等优势,在流体参数识别中得到广泛应用[8],逐渐被应用于各类传感器。然而目前国内外专门针对桥梁冲刷进行定点监测水流流向的传感器研究较少,这主要是因为水上结构所处水流环境相对复杂,定点监测距离短,流向时刻变化,导致水流流向测量困难[9]。本团队曾研发了一款可不定向监测水流流速的光纤光栅传感器[10],在此基础上,又首创性地提出了基于光纤光栅传感技术的水流流向监测传感器,可为我国桥梁施工建设与安全运营提供技术支持,为水文环境实时监测提供更多技术选择。
1、传感器结构及传感原理
1.1传感器结构
本光纤光栅水流流向传感器由上部、下部结构两部分组成。上部结构主要有机架底座、凸轮推杆、弹簧、金属丝等传感元件,下部主要有万向板、转向轴等构成,具体结构如图1所示。
图1流向传感器结构示意
1—万向板;2—转向轴;3—轴承;4—机架底座;5—第一凸轮;6—支撑架;7—第二凸轮;8—顶盖;9—横梁;10—机架护罩;11—键;12—垫环;13—弹簧;14—第一立柱;15—第二立柱;16—内支柱;17—外支柱;18—第一下边框;19—第二下边框;20—矩形框;21—导向轴;22—光纤;23—接收器;24—金属丝
1.2传感器流向测量原理
1.2.1万向板自适应水流[10]
要解决流向不定向问题,传感器就需要自适应流向的变化。传感器自适应功能体现在万向板上,其特点是:万向板一侧固定于转轴上,可随转轴转动,转动轴承固定在机架上。工作时转轴竖直,万向板在水平面内随不定水流方向改变而旋转,万向板将带动与它固定的转轴一起旋转,待水流流向与万向板平面平行且由近轴端流向远轴端时,万向板最终将处于平衡状态不再旋转,否则将继续旋转至平衡状态(见图2)。待其自我适应后,万向板便与水流处于同一平面。
图2万向板自适应水流示意
1.2.2水流流向转化原理
1.2.2.1水流流向转化为转轴转向
万向板与转轴固接,万向板在旋转的过程中,将带动与它固定的转轴一起旋转。由此将流体流向问题转化成转轴的转向问题。
1.2.2.2转轴转向转化为封闭推杆位移
在转轴上加装偏心轮1,以偏心轮1边缘到转轴中心的不同距离一一对应转轴的不同转向,瞬时偏心轮1随转轴顺时针转动时封闭推杆1水平右移(见图3);待正常工作时转轴转向不定,但封闭推杆1只做图示位置的左右平动。转动时偏心轮1将封闭推杆1推到距转轴中心的不同位移,不同位移对应不同方向。
图3凸轮推杆机构测位移
1.2.3实现360°流向监测
1.2.3.1偏心轮2和封闭推杆2的设置
单个偏心轮1由于其过转轴中心存在一个对称轴,因此只能辨别180°的方向,而在监测过程中传感器需要做到对水流方向的精确识别,区分水流在某一平面上360°的流向,故增加一个偏心轮2和封闭推杆2,偏心轮2的装配位置与偏心轮1的装配位置相差90°(偏心轮1、2的大小形状相同)。当偏心轮1使封闭推杆1在对称位置产生位移相同时,偏心轮2使封闭推杆2产生的另一位移可协助区分偏心轮1的对称情况,如图4所示。
图4偏心轮2偏置90°与封闭推杆2测位移
1.2.3.2凸轮推杆机构流向转化原理
传感器上的两组偏心轮、封闭推杆机构组成的凸轮推杆机构运动原理如图5、图6所示,其在传感器中的具体位置如图7所示。O1、O2分别为其转动中心,两大小、形状完全相同的偏心轮圆心分别为O′1、O′2。其装配情况为:转轴分别穿过两偏心轮转动中心O1、O2,转轴与偏心轮通过键槽中的键固定且偏心轮上下分布,中间有垫圈相隔,安装时偏心轮1与偏心轮2的装配位置偏转90°。当偏心轮1分别处于位置1和位置2时,由对称性可知封闭推杆1分别处于位置1与位置2产生的位移1和位移2是相同的,无法区分1和2两位置对应的方向,当偏心轮2分别处于位置1与位置2时,明显位置1使封闭推杆2产生的位移1小于位置2使封闭推杆2产生的位移2,故利用两位置使封闭推杆2产生位移的差别,区分360°的流向。
图5凸轮推杆机构1
图6凸轮推杆机构2(装配位置偏转90°)
图7凸轮推杆和弹簧结构示意
1.2.3.3封闭推杆位移转化为光纤光栅应变
弹簧分别连接封闭推杆与机架两端的金属丝,光纤光栅粘贴情况如图8所示,其粘贴在金属丝上感知梁的拉压应变,左右两端各设置两个金属丝和3根光纤光栅(其中左侧2跟,多设置一根温度补偿光栅),通过测量两端的光纤光栅波长的变化,实现360°水流流向的监测。
图8光纤光栅粘贴
2、流向理论计算表达式
光纤Bragg光栅波长变化量与应变转化的理论公式如下
ΔλB=λB(1-Pε)ε(1)
式中,Δλ为光纤光栅的波长改变量(nm);λB为光纤光栅原始中心波长(nm);Pε为有效弹光系数,取0.22;ε为被测物应变。
由此变形可以得到
ε1=ΔλB1(1−Pε)λB1(2)
ε2=ΔλB2(1−Pε)λB2(3)
式中,ε1、ε2分别为金属丝1、2上所贴光纤光栅测出的应变值;ΔλB1、ΔλB2分别为所贴光纤光栅的波长改变量(nm);λB1、λB2分别为所贴光纤光栅的原始中心波长(nm)。
偏心轮1和2的位置变化如图9、图10所示。
图9偏心轮1位置变化
图10偏心轮2位置变化
由几何关系得到偏心轮1、2在推杆上所产生的位移
X1=e(1-cosα)(4)
X2=esinα(5)
式中,e为偏心轮的偏心距(mm);α为偏心轮转动的角度(°);X1、X2分别为两推杆产生的水平位移(mm)。
两推杆所产生的水平位移理论上等于弹簧的变化量和金属丝的变化量,故两金属丝受到的外力如下
F1=ΔλB1EAλB1(1−Pε),F2=ΔλB2EAλB2(1−Pε)(6)
将式(6)和式(4)、式(5)分别代入式(2)和式(3)得
X1=ΔλB1lλB1(1−Pε)+ΔλB1EAλB1(1−Pε)K(7)
X2=ΔλB2lλB2(1−Pε)+ΔλB2EAλB2(1−Pε)K(8)
式中,F1、F2分别为两金属丝所受弹簧外力(N);K为弹簧刚度(N/mm);l为金属丝长度(mm);E为金属丝的弹性模量(MPa);A为金属丝的受力截面面积(mm2)。
式(4)和式(5)中
cosα=1−(ΔλB1lλB1(1−Pε)e+ΔλB1EAλB1(1−Pε)Ke)(9)
sinα=ΔλB2lλB2(1−Pε)e+ΔλB2EAλB2(1−Pε)Ke(10)
联立式(2)至式(10)可得
α=arctanλB1(EA+Kl)ΔλB2λB2[Ke(1−Pε)λB1−(EA+Kl)ΔλB1](11)
最后再结合sinα、cosα的正负确定水流流向α的大小。
3、试验分析
3.1试验内容
传感器利用3D打印技术和精密加工相结的方式进行加工,实物如图11所示,并采用图12所示标定方案进行试验[10]。本试验采用3个均匀光纤Brag光栅作为应变测试和温度补偿光栅,如表1所列。
图11传感器实物
3.2数据分析
本试验采用小波变换对振动信号进行降噪处理,并减去温度对波长影响的变化量(见表2)。设定水流方向从转向轴端流向万向板为0°水流方向,顺时针旋转为正向,对0°～90°水流流向进行重复两次试验,90°～360°的测试方法相同。
图12传感器标定试验方案
3.2.1测试波长与理论流向的关系
将两试验波长数据进行处理,得到波长增量和流向的关系,如图13所示。
图13波长增量与流向关系
由图13可知,随着流向的增加,测试光纤光栅的波长增量均逐渐增加,满足流向在正向0°～90°测量过程中,两金属丝均受拉导致波长增加。对于试验1,在小角度时,波长1的变化量大于波长2;流向逐渐增大时,则相反。对于试验2,在小角度时,波长1的变化量大于波长2;流向逐渐增大时,波长1的变化量开始小于波长2,但最终仍是波长1的变化量大于波长2。
表1光纤光栅传感器参数
本传感器在监测水流流向变化时,左侧金属丝先开始受拉,所以导致波长1的变化量在开始时略大于波长2,后流向逐渐增大时,波长变化量逐渐趋于相同。但由于光纤光栅粘贴工艺和预拉力强度的问题,导致在流向增大到70°～90°时,波长1和波长2的变化量开始趋于不同,存在偏差。
3.2.2理论与标准试验值对比
图14误差范围变化
对试验数据进行误差计算,得出误差百分比如图14所示。由该图可知,试验2的误差波动比试验1的偏大,但两次试验误差始终保持在6%范围内,最大误差为1.8°,具有较高的试验精度,且随着流向变化增大时,误差逐渐减小。查阅水流流向规范可知,本传感器的测试误差符合要求。
3.3试验误差分析
流向标定试验误差主要来源于以下几个方面。
(1)两个偏心轮间的润滑度:
两个偏心轮和2个封闭推杆起着传导流向的作用,偏心轮之间的润滑度不够可能会导致流向传递出现阻滞的现象,影响测试的精度。
(2)金属丝的强度:
本传感器所用监测光栅粘贴于金属丝上,若金属丝的强度不够均匀,容易导致光纤光栅感知应变变化能力减弱,产生误差。
(3)光纤光栅的粘贴工艺和预拉力设置:
由于金属丝既可能受拉也可能受压,所以光纤光栅将同时感受拉压应变,需要较高的粘贴工艺和对其设置足够的预拉力,才能精确反映金属丝的应变变化。故光纤光栅的粘贴工艺和预拉力强度也是试验误差的原因。
3.4市场常规流向传感器对比
查阅市场常规流向传感器的参数(见表3),可知本文所研发传感器在测量范围与精度方面具有较强优势,由于是均匀布拉格光纤光栅作为传感元件,其不易受外界环境干扰的优势得以在本传感器上得以体现。
表3流向传感器参数对比
4、结论与展望
本文研究内容主要是基于光纤光栅传感技术,围绕水流流向监测需求,设计了一款可360°监测水流流向变化的新型流向传感器,对传感器的监测原理进行了详细的介绍,并推导了流向的理论计算公式。对设计的传感器进行了标定试验,对误差来源进行了分析,取得了一些有益的研究成果,得出如下结论:
(1)提出的基于光纤光栅传感技术的水流流向监测传感器,可实现水流流向自适应监测功能和360°不定向水流流向的测量功能。通过性能标定试验可知,本传感器具有较高的测试精度,误差范围始终保持在6%以内,满足实际桥梁等水中结构物所处水流环境水流流向的监测需求。
(2)对试验误差来源进行了有效分析,为后期进一步提高传感器测试精度提供参考。通过对市场常规流向传感器参数的比较,充分体现了本传感器的测量优势。
(3)实际水流环境较复杂,传感器在监测水流流向过程中,可能受到漂浮物和湍流的影响,引发局部水流扰动而造成水流局部方向发生变化,产生测量误差。故在后期水流流速流向传感器的研发过程中,将加入阻尼机构以消除局部扰动引起的水流方向变化,进一步提高传感器监测精度,以实现高精度的不定向水流流速流向一体化监测。
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基金:国家重点研发计划项目子课题(2016YFC0802202-3);省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室自主课题(ZZ2020-19).
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