地下管廊结构健康监测项目

一、项目概况

上海世博园区综合管廊总长约6.1km，2007年开始建设于2010年正式投入使用，该综合管廊纳入了通信、电力、热力等管道，整体工程采用预制拼接的施工工艺。本监测项目主要是对管廊进行结构安全监测，目的是为了能够及时了解和掌握拼管廊接缝处的裂缝开展情况以及管廊内沉降情况，以保证能够及时预防由于管廊变形对管廊内设施造成的损害。图一和图二分别为管廊内部实景图以及标准断面。

二、产品和技术介绍

项目上运用到的整套监测系统，从传感器到监测系统的硬件和软件都是全部自主开发设计的，拥有自主知识产权。下面分几部分对传感器和监测系统进行详细介绍。

2.1光纤光栅静力水准仪

静力水准系统是测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器。主要用于大型储罐、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移和倾斜的监测。静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上。静力水准仪是一种高精密液位测量系统，该系统适用于测量多点的相对沉降。在使用中，多个静力水准仪的容器用通液管联，每一容器的液位由磁致伸缩式传感器测出，传感器的浮子位置随液位的变化而同步变化，由此可测出各测点的液位变化量。在静力水准仪的系统中，所有各测点的垂直位移均是相对于其中的一点(又叫基准点)变化，该点的垂直位移是相对恒定的或者是可用其它方式准确确定，以便能精确计算出静力水准仪系统各测点的沉降变化量。光纤光栅静力水准仪具有灵敏度高、寿命长、本质安全、抗电磁干扰等优点，可方便地与其他类型光纤光栅传感器一同组成光纤监测网。光纤光栅静力水准仪的技术参数见表一。

2.2光纤光栅位移传感器

光纤光栅位移传感器用于测量各种结构间的相对位移，也可用于实时监测裂缝的张开与闭合，适用于各种隧道管片接缝、水坝坝体位移、土壤沉降、岩石、山体、边坡监测等。安装时将传感器和探头分别固定在移动物体和参考物体上。既可以进行长期监测，又可以作短期监测。该传感器可以重复使用。具有精度高、灵敏度高、寿命长等优点，可方便地与其他光纤光栅传感器一起组成全光监测网。

光纤光栅位移传感器基于一种光纤光栅应变增/减灵敏度的封装机制，采用独特封装工艺有效的消除了其他材料对传感器应变传递的影响；通过调节封装工艺中的参数，可以改变传感器的位移量。

 其突出特点如下：

（1）无弹簧工作机制，有效解决无损耗应变传递机制

（2）可根据工程需求灵活定制量程、分辨率和规格尺寸；

（3）用于工程结构表面安装时可重复利用；

（4）通过传感器支座可焊接或胶粘接在工程结构表面；

（5）可根据工程需求灵活定制不同形状的传感器支座。

其详细参数指标如表二所示：

表二 光纤光栅位移传感器主要技术指标

2.3  液压式静力水准仪

使用中，多个液压式静力水准仪的测压强腔体通过通液管串联联接至液位容器，由高精度硅晶芯体传感器测量，通过RS485信号传输到信号采集系统，通过压力监测过程的信号变化传输至信号采集系统，通过分析计算，随压力测量的变化而同步变化，由此测出各测点的压力变化量而分析地表的相对沉降高度。

表三 液压式静力水准仪主要技术指标

2.4  光纤光栅解调仪

  FBG&eDAQ-S系列产品是一款基于嵌入式硬件平台和实时操作系统的多通道光纤光栅同步解调仪，采用波长扫描型光纤激光器作为光源，具有多路同步采集及单光路20dB信号增益能力。1-5Hz采样频率可以测量低速变化的温度、应变等物理参数。每个光学通道具有80nm波长范围（1510~1590nm），单通道可同时连接多个FBG传感器（取决于传感器波长范围）。

n 光纤光栅解调部分：

« 4、6、8、12、15、24路同步采集，大功率波长扫描型激光光源

« 单通道20dB信号增益

« 光纤光栅反射光功率可达-5dBm

« 波长解调带宽（40nm、80nm可选）

« 内置绝对波长参考，不需要外部波长校准

n 硬软件系统部分：

« 以太网接口，系统支持远程工作方式

« 内嵌资源丰富的FPGA硬件逻辑芯片

« 可定制的信号实时处理功能

« 低功耗，可支持移动电源

参数指标：

2.5 监测系统软件

2.5.1  系统开发环境

NI LabVIEW是目前测试测量领域内领先的软件开发工具，广泛应用于系统测试和控制等行业。自软件问世以来，依靠其强大的图形化开发环境，引起了世界各地科研人员和工程人员的极大关注，成为其开发项目的重要开发工具，LabVIEW可以帮助用户缩短程度开发时间，保证软件质量，提高工程和生产效率，被认为是下一代高级计算机程序开发语言。

LabVIEW开发环境友好，具有拖放式的用户界面，内置内容丰富的函数库，函数代码高度封装，使编程过程变得简单、易行，于此同时，LabVIEW同样具备界面设计功能，变量与控件直接相互关联，用户在编写代码的过程中，可以及时调整软件界面，缩短了程序的开发时间。LabVIEW同样是一种高度开放的程序语言，与其他编程环境具有很好的兼容性和交互性，可以方便快捷的调用其他开发软件的运行结果，软件的通用性较高。LabVIEW软件开发平台与以往的程序语言相比，最大的不同之处在于其内置了数据采集、分析和显示功能，具有高度开放的I/O接口，硬件部署对象广泛，节约了硬件投资成本

2.5.2  信号实时同步显示

该系统实时同步采集各通道传感器信号，随时调用目标传感器，在上位机中同步显示各通道传感器信号。实时同步采集技术，对分析结构阵型、阻尼比、地震动响应、基准频率、高阶频率等特性具有重要意义，为实时监测管道内力变化进行参考。监测系统界面如图八所示。

2.5.3  数据自动存储功能

该系统的数据存储方式与以往相比具有较大不同，改变了以往人为操作触发存储的方式，存盘开始时间、结束时间、文件保存方式均作了存盘触发判断，均由系统自动识别完成。该系统为数据存储路径做了特别设计，除用户指定的基本存储路径外，系统将按年-月-日-系统时间的顺序逐级建立子目录，保证文件不会被覆盖和重名，同时也方便用户在海量数据文件中调用需要的文件，如图九所示。

2.5.4  自动报警功能

该系统设计了多个结构安全指示灯，当结构某一部位发生变化过大时，该指示灯显示为红色，表示该部位处于异常状态，需要启动相应的应急预案。该指示灯能正确表征位移过大的部位，对采取紧急措施具有指导意义。报警信息通过手机短信和E-mail电子邮件的方式发送（如图十所示），保证了重要报警信息的及时性。

2.5.5  预警系统软件

在监测系统的人机交互界面中加入了动态显示功能，通过颜色变化来反映关键部位的状态变化，增加了系统的可视化程度。 

三、应用范围

 整套监测系统兼容性强，能广泛应用于各种结构的健康监测。除地下综合管廊外，还能运用于隧道、桥梁、大型钢结构等结构物的健康监测。

四、生产条件

 传感器、解调仪以及监测系统中的软硬件拥有自主知识产权，能够自行开发设计生产。

五、获得的专利情况

  光纤光栅静力水准仪、光纤光栅位移传感器中使用的关键部件光纤光栅应变传感器已申请国家发明专利，FBG&eDAQ-S系列解调仪已获得国家技术发明二等奖。软件著作权等相关知识产权正在申请当中。

六、成本估算

成本按实际工程数量确定。

七、提供技术的程度和合作方式

  该项目甲方为上海电力科学研究所，甲方全权委托我方对上海地下综合管廊进行结构健康监测。我方提供包括监测方案设计、传感器设计安装、监测系统设计开发、软件设计开发在内的全部服务内容。