[发明专利]基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置与监测方法

权利要求书

1.一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述监测装置包括弱光栅阵列传感光缆(3)、光纤光栅振动解调仪(2)与振动信号处理单元(1)，所述弱光栅阵列传感光缆(3)沿被测缆索(4)的表面轴向布置，弱光栅阵列传感光缆(3)、被测缆索(4)的表面相互贴合，弱光栅阵列传感光缆(3)的末端经光纤光栅振动解调仪(2)与振动信号处理单元(1)进行信号连接；

所述弱光栅阵列传感光缆(3)的内部设置有同轴的传感光纤(31)，该传感光纤(31)上等间距的设置有多个弱光栅(311)；

所述弱光栅阵列传感光缆(3)的长度与被测缆索(4)的长度相同，所述弱光栅阵列传感光缆(3)通过多个不锈钢扎圈(41)捆扎在被测缆索(4)的表面，不锈钢扎圈(41)的位置与弱光栅阵列传感光缆(3)中弱光栅(311)的位置一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述弱光栅阵列传感光缆(3)的断面为圆形，由内至外依次为传感光纤(31)、金属铠装层(32)、外护套(33)；所述传感光纤(31)上任意两个相邻弱光栅(311)之间的间距为2-100米。

3.根据权利要求2所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述传感光纤(31)为在拉丝塔上在线连续刻写的全同光栅阵列，该全同光栅阵列的3dB的反射带宽为2—3nm，反射率为-30—50dB。

4.根据权利要求2所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述外护套(33)的制造原料为聚氯乙烯护套料、阻燃护套料或耐电护套料，所述外护套(33)的内部设置有四根钢丝加强件(331)，四根钢丝加强件(331)沿同一圆周均匀设置；

所述金属铠装层(32)的制造原料为铝塑复合带、钢塑复合带、螺旋钢铠、钢绞线或不锈钢管，所述金属铠装层(32)的孔径为0.8—6mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置，其特征在于：所述光纤光栅振动解调仪(2)包括宽带光源、半导体激光放大器、环形器、光电转换器与采集卡。

6.一种权利要求1所述的基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于所述监测方法包括以下步骤：

先通过弱光栅阵列传感光缆(3)获取被测缆索(4)上各段的振动响应信号，被测缆索(4)上位于相邻两个弱光栅(311)之间的部位视之为一段，再通过振动信号处理单元(1)对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频，然后根据振动基频计算出各段缆索的索力，再绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线，以得到被测缆索(4)的索力的分布图。

7.根据权利要求6所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：

所述振动响应信号由光纤光栅振动解调仪(2)采集；

所述对振动响应信号进行预处理和滤波，以识别出各段缆索的振动基频是指：先对采集到的振动响应信号进行FFT变换以获取振动频谱，再根据被测缆索(4)的索力设计值以计算被测缆索(4)的基频范围，然后对振动频谱进行带通滤波以缩小频率识别区间，再从滤波后的信号中读取各阶峰值对应的频率，若有任意三阶相邻频率满足公式f_i+1-f_i＝f_i-f_i-1＝f₀，则差值f₀为被测缆索(4)的振动基频。

8.根据权利要求6所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：所述根据振动基频计算出各段缆索的索力是指：

根据公式T＝4ml²f₀²，计算被测缆索(4)的索力T，式中m为被测缆索(4)的线密度，l为被测缆索(4)的有效长度，f₀为被测缆索(4)的振动基频。

9.根据权利要求6所述的一种基于弱光栅阵列的桥梁缆索索力状态监测装置的监测方法，其特征在于：所述绘制各段缆索索力与缆索长度对应关系的曲线中，所述各段缆索索力是指：某一时间范围内各段缆索的平均索力，该平均索力的获取公式为：

其中，为平均索力，T_i为每次计算所得的索力。