基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法

摘要

本发明基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法它包括以下步骤：厂房结构全范围布设分布式光纤传感器和局部位置布设点式加速度传感器；通过外力激励，结合y(t)=ax2(t)+bx(t)+c拟合方程，找出方程待定参量a、b、c，建立分布式光纤传感器的传输信号和点式加速度传感器的传输信号之间的关系，其中包含竖向振动和横向振动两个方向；通过全范围分布式光纤传感器对生产周期内的结构振动进行监控，找到若干振幅最大的位置即关键位置，在上述关键位置处增设点式加速度传感器重点监测，从而完成全范围的光纤传感器覆盖和关键位置的点式加速度传感器的精确测试的工业厂房监测系统组网。

权利要求

1.一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（a）、布设分布式光纤传感器（5）和点式加速度传感器在工业厂房的框架柱（3）和横梁（4）组成的工业厂房框架结构上布设分布式光纤传感器（5），在横梁（4）的中间布设第二点式加速度传感器（2），在框架柱（3）的最上端布设第一点式加速度传感器（1），将第二点式加速度传感器（2）和第一点式加速度传感器（1）分别与数据采集仪（6）相连，将分布式光纤传感器（5）与光纤数据采集仪（7）相连，在步骤（a）的布设分布式光纤传感器（5）过程中，准确记录分布式光纤传感器（5）的信号位置与其所在结构位置的对应关系,将横梁（4）或框架柱（3）结构几何参数与光纤测点位置一一对应，确保分布式光纤传感器（5）所测信号位置与横梁（4）或框架柱（3）振动位置的一一对应；

（b）、通过外力激励，建立分布式光纤传感器的传输信号和点式加速度传感器的传输信号之间的关系

在布设第二点式加速度传感器（2）附近的横梁（4）或第一点式加速度传感器（1）附近的框架柱（3）上，分别用力锤对横梁（4）或框架柱（3）进行敲击激励，用数据采集仪（6）采集第二点式加速度传感器（2）或第一点式加速度传感器（1）的振动信号，同时用光纤数据采集仪（7）采集分布式光纤传感器（5）的振动信号；

2

通过y(t)=ax (t)+bx(t)+c方程，建立第二点式加速度传感器（2）和分布式光纤传感器（5）之间振动信号的关系，其中y(t)为布设第二点式加速度传感器（2）处某一时刻的第二点式加速度传感器（2）的振动振幅，x(t)为与第二点式加速度传感器（2）所处同一时刻的分布2

式光纤传感器（5）的振动振幅，通过多次敲击激励，拟合得到y(t)=ax (t)+bx(t)+c方程中的a、b和c值；

2

通过z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程，建立第一点式加速度传感器（1）和分布式光纤传感器（5）之间振动信号的关系，其中z(t)为布设第一点式加速度传感器（1）处某一时刻的第一点式加速度传感器（1）的振动振幅，w(t)为与第一点式加速度传感器（1）所处同一时刻的分布2

式光纤传感器（5）的振动振幅，通过多次敲击激励，拟合得到z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程中的e、f和g值；

(c）、 通过对分布式光纤传感器（5）的最大振幅进行监控，找到振幅最大的位置即关键位置，在上述关键位置处增设加速度传感器在工业厂房1 2个生产周期正常服役的振动状态下，监测分布式光纤传感器（5）的最大~

2 2

振幅，通过y(t)=ax (t)+bx(t)+c和z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程，得到横梁（4）加速度最大振幅的位置和框架柱（3）加速度最大振幅的位置，在上述位置处，增设点式加速度传感器，作为重点监测对象，从而完成全范围的光纤传感器（5）覆盖和关键位置的点式加速度传感器的精确监测的工业厂房监测系统组网。

2.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其特征在于：在步骤（b）中，用力锤对横梁（4）或框架柱（3）进行敲击激励，力锤对横梁（4）或框架柱（3）的敲击时，数据采集频率 f在200 500Hz范围内，测试时间在1min之内，力锤的敲击点距横梁~

（4）的第二点式加速度传感器（2）或框架柱（3）的第一点式加速度传感器（1）的距离在50mm至100mm范围内。

3.如权利要求2所述的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其特征在于：在步骤（b）中，通过力锤对横梁（4）或框架柱（3）一次敲击激励，选取在测试时间内的不同三

2 2

个时刻，即可求得y(t)=a1x(t)+b1x(t)+c1方程中的a1、b1和c1值；或者z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程中的e1、f1和g1值；重复上述步骤，进行至少n次敲击激励，分别得到a2、b2和c2值；e2、f2和g2值；an、bn和cn值；en、fn和gn值，a=(a1+a2……+an)/n；b=(b1+b2……+bn)/n，c=(c1+c2……+cn)/n，e=(e1+e2……+en)/n，f=(f1+f2……+fn)/n,g=(g1+g2……+gn)/n。

4.如权利要求3所述的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其特征在于：所述n不得小于3次。

说明书

基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法

技术领域

[0001] 本申请涉及工业厂房结构健康监测技术领域，是一种工业厂房在正常使用状态下的结构动力智能监测和感知预警的方法，特别是一种基于分布式光纤传感器的既有工业厂
房结构振动监测方法。

背景技术

[0002] 我国作为世界工业大国之一，工业厂房类型众多且存量巨大，年竣工厂房建筑面积超12亿平米。工业厂房内部动力设备较多，空压机、落锤、吊车、机床等设备在运转使用过
程中易产生不平衡的扰力，引发结构的不良振动，导致构件的动力疲劳、应力集中、动力失
稳、裂缝的形成与加速发展，甚至造成结构局部破坏，严重影响厂房建筑使用的耐久性及安
全性。此外，结构的不良振动会降低精密仪器加工、测量精度，影响建筑内部从业人员工作
环境的舒适性，不利于工业生产质量控制及生产效率的提升。因此，对工业厂房服役状态进
行实时监测，建立结构异常振动预警的技术方法，是确保工业厂房正常使用状态的必要措
施，对既有工业建筑的服役性能的提升和保障工业生产质量具有重要的意义。

[0003] 现有工程中，多采用如振弦式加速度计等点式传感器测量结构的振动信号，以获取结构的振动信息。点式传感器测量精度较高，且具有优异的偏差稳定性、较强的环境适应
性。但是由于其布设工序复杂，监测期间易耗损、组网复杂、更换成本高。且点式测量方式只
能获取结构构件的某些特定点的加速度，容易遗漏结构振动的关键信息，导致监测结果难
以完整表现结构真实状态。因此，如何更加全面、详细的监测结构的正常使用状态已成为结
构健康监测的发展方向。

[0004] 近年来，分布式光纤传感技术的迅速发展为结构健康监测提供了新的技术手段。分布式光纤传感技术使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，具有实时获取整个传
感区域内被测量的分布信息。将传输和传感合二为一，减少了布设敏感元件的成本。可以精
确测量光纤上任一点的温度、振动等信息，实现对故障点或扰动点的定位。分布式光纤传感
仪器拥有抗干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻、无电学特性、能够分布式感知等优点，目前该技
术在边界安防领域应用较多，更多地限于检测事件的有无。但是由于光纤测量数据具有无
量纲的特性，其在动力测试领域的应用，尤其是其与振动物理量（诸如位移、加速度等）的联
系仍有待研究。因此，在建筑结构振动监测领域，还未有有效可行的应用方案。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提出了一种基于分布式光纤传感器的既有工业厂房结构振动监测方法。综合利用分布式光纤传感器抗干扰、分布式感知和点式传感器高精度的特点，对厂
房主要作业结构铺设分布式光纤传感器，进行厂房全结构覆盖光纤振动监测，对厂房结构
关键位置点布设点式加速度传感器，并以传感器信号标定分布式光纤振动信号，建立全范
围光纤‑关键点点式传感器的工业厂房振动监测系统。实现工业建筑环境激励下的异常振
动信号进行实时监测和空间定位，结合工业建筑振动安全评判标准，最终实现工业建筑结
构振动的全面监测及预警。

[0006] 为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

[0007] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：它包括以下步骤：

[0008] （a）、布设分布式光纤传感器和点式加速度传感器

[0009] 在工业厂房的框架柱和横梁组成的工业厂房框架结构上布设分布式光纤传感器，在横梁的中间布设第二点式加速度传感器，在框架柱的最上端布设第一点式加速度传感
器，将第二点式加速度传感器和第一点式加速度传感器分别与数据采集仪相连，将分布式
光纤传感器与光纤数据采集仪相连；

[0010] （b）、通过外力激励，建立分布式光纤传感器的传输信号和点式加速度传感器的传输信号之间的关系

[0011] 在布设第二点式加速度传感器附近的横梁或第一点式加速度传感器附近的框架柱上，分别用力锤对横梁或框架柱进行敲击激励，用数据采集仪采集第二点式加速度传感
器或第一点式加速度传感器的振动信号，同时用光纤数据采集仪采集分布式光纤传感器的
振动信号；

[0012] 通过y(t)=ax2(t)+bx(t)+c方程，建立第二点式加速度传感器和分布式光纤传感器之间振动信号的关系，其中y(t)为布设第二点式加速度传感器处某一时刻的第二点式加
速度传感器的振动振幅，x(t)为与第二点式加速度传感器（2）所处同一时刻的分布式光纤
2
传感器的振动振幅，通过多次敲击激励，拟合得到y(t)=ax (t)+bx(t)+c方程中的a、b和c
值；

[0013] 通过z(t)=ew2(t)+fw(t)+g方程，建立第一点式加速度传感器和分布式光纤传感器之间振动信号的关系，其中z(t)为布设第一点式加速度传感器处某一时刻的第一点式加
速度传感器（1）的振动振幅，w(t)为与第一点式加速度传感器所处同一时刻的分布式光纤
2
传感器的振动振幅，通过多次敲击激励，拟合得到z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程中的e、f和g
值；

[0014] (c）、 通过对分布式光纤传感器的最大振幅进行监控，找到加速振幅最大的位置即关键位置，在上述关键位置处增设加速度传感器

[0015] 在工业厂房1 2个生产周期正常服役的振动状态下，监测分布式光纤传感器的最2~ 2
大振幅，通过y(t)=ax(t)+bx(t)+c和z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程，得到横梁加速度最大振幅
的位置和框架柱加速度最大振幅的位置，在上述位置处，增设点式加速度传感器，作为重点
监测对象，从而完成全范围的光纤传感器覆盖和关键位置的点式加速度传感器的精确监测
的工业厂房监测系统组网。

[0016] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：在步骤（a）的布设分布式光纤传感器过程中，准确记录分布式光纤传感器的信号位置与其所在结构位
置的对应关系,将横梁或框架柱结构几何参数与光纤测点位置一一对应，确保分布式光纤
传感器所测信号位置与横梁或框架柱振动位置的一一对应。

[0017] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：在步骤（b）中，用力锤对横梁或框架柱进行敲击激励，力锤对横梁或框架柱的敲击时，数据采集频率 f
在200 500Hz范围内，测试时间在1min之内，力锤的敲击点距横梁的第二点式加速度传感器
~
或框架柱的第一点式加速度传感器的距离在50mm至100mm范围内。

[0018] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：在步骤（b）中，通过力锤对横梁或框架柱一次敲击激励，选取在测试时间内的不同三个时刻，即可求得
2 2
y(t)=a1x (t)+b1x(t)+c1方程中的a1、b1和c1值；或者z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程中的e1、f1和
g1值；重复上述步骤，进行至少n次敲击激励，分别得到a2、b2和c2值；e2、f2和g2值；an、bn和cn
值；en、fn和gn值，a=(a1+a2……+an)/n；b=(b1+b2……+bn)/n；c=(c1+c2……+cn)/n；e=(e1+
e2……+en)/n；f=(f1+f2……+fn)/n；g=(g1+g2……+gn)/n。

[0019] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：所述n不得小于3次。

[0020] 本发明的一种基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，其中：它还包括：步骤（d）,在步骤（c）中增设的处点式加速度传感器的最大振动幅度大于《建筑工程容许振
动标准》的最大值时，需人为检查框架柱和横梁组成的厂房框架结构是否有损伤并且进行
必要的加固，或者调整工业厂房内的高强度激励的工艺流程或频率。

[0021] 本发明基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，根据全范围光纤‑关键位置点式传感器的组网式工业厂房服役阶段振动监测结果，可全面有效的把控厂房结构在
日常作业中的振动状态。并根据实际监测结果，对于可能出现损伤或振动较大的构件，给出
是否需要加固的建议。

附图说明

[0022] 图1为本发明的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法的方框示意图；

[0023] 图2为用本发明的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法，在工业厂房内布的一个横梁和框架柱所设置的布设分布式光纤传感器、点式加速度传感器、数据采集
仪和光纤数据采集仪的示意图；

[0024] 在图2中，标号1为第一点式加速度传感器；标号2为第二点式加速度传感器；标号3为框架柱；标号4为横梁；标号5为分布式光纤传感器；标号6为数据采集仪；标号7为光纤数
据采集仪。

具体实施方式

[0025] 如图1所示，本发明的基于分布式光纤传感器的工业厂房动力监测方法包括以下步骤：

[0026] （a）、布设分布式光纤传感器5和点式加速度传感器

[0027] 如图2所示，在工业厂房的框架柱3和横梁4组成的工业厂房框架结构上布设分布式光纤传感器5，准确记录分布式光纤传感器5的信号位置与其所在结构位置的对应关系,
将横梁4或框架柱3结构几何参数与光纤测点位置一一对应，如进行每米间隔标注或进行半
米间隔的标注，确保分布式光纤传感器5所测信号位置与横梁4或框架柱3振动位置的一一
对应；在横梁4的中间布设第二点式加速度传感器2，在框架柱3的最上端布设第一点式加速
度传感器1，将第二点式加速度传感器2和第一点式加速度传感器1分别与数据采集仪6相
连，将分布式光纤传感器5与光纤数据采集仪7相连；

[0028] （b）、通过外力激励，建立分布式光纤传感器的传输信号和点式加速度传感器的传输信号之间的关系

[0029] 在布设第二点式加速度传感器2附近的横梁4或第一点式加速度传感器1附近的框架柱3上，分别用力锤对横梁4或框架柱3进行敲击激励，敲击时，力锤的敲击点距横梁4的第
二点式加速度传感器2或框架柱3的第一点式加速度传感器1的距离在50mm至100mm范围内，
用数据采集仪6采集第二点式加速度传感器2或第一点式加速度传感器1的振动信号，同时
用光纤数据采集仪7采集分布式光纤传感器5的振动信号，数据采集频率 f在200 500Hz范
~
围内，测试时间在1min之内；

[0030] 通过y(t)=ax2(t)+bx(t)+c方程，建立第二点式加速度传感器2和分布式光纤传感器5之间振动信号的关系，其中y(t)为布设第二点式加速度传感器2处某一时刻的第二点式
加速度传感器2的振动振幅，x(t)为与第二点式加速度传感器2所处同一时刻的分布式光纤
传感器5的振动振幅，在力锤对横梁4或框架柱3一次敲击激励过程中，选取在测试时间内的
2
不同三个时刻，即可求得y(t)=a1x (t)+b1x(t)+c1方程中的a1、b1和c1值；通过4次敲击激励，
分别得到a2、b2和c2值、a3、b3和c3值、a4、b4和c4值，最终得到a=(a1+a2+a3+a4)/4；b=(b1+b2+b3+
2
b4)/4，c=(c1+c2+c3+c4)/4,拟合得到y(t)=ax(t)+bx(t)+c；

[0031] 通过z(t)=ew2(t)+fw(t)+g方程，建立第一点式加速度传感器1和分布式光纤传感器5之间振动信号的关系，其中z(t)为布设第一点式加速度传感器1处某一时刻的第一点式
加速度传感器1的振动振幅，w(t)为与第一点式加速度传感器1所处同一时刻的分布式光纤
传感器5的振动振幅，在力锤对横梁4或框架柱3一次敲击激励过程中，选取在测试时间内的
2
不同三个时刻，即可求得z(t)=ew (t)+fw(t)+g方程中的e1、f1和g1值；通过4次敲击激励,分
别得到e2、f2和g2值、e3、f3和g3值、e4、f4和g4值，最终得到e=(e1+e2+e3+e4)/4；f=(f1+f2+f3+
2
f4)/4，g=(g1+g2+g3+g4)/4,拟合得到z(t)=ew(t)+fw(t)+g方程；

[0032] (c）、 通过对分布式光纤传感器5的最大振幅进行监控，找到加速振幅最大的位置即关键位置，在上述关键位置处增设加速度传感器

[0033] 在工业厂房1 2个生产周期正常服役的振动状态下，监测分布式光纤传感器5的最2~ 2
大振幅，通过y(t)=ax (t)+bx(t)+c和z(t)=ew(t)+fw(t)+g方程，得到横梁4加速度最大振
幅的位置和框架柱3加速度最大振幅的位置，在上述位置处，增设点式加速度传感器，作为
重点监测对象，从而完成全范围的光纤传感器5覆盖和关键位置的点式加速度传感器的精
确监测的工业厂房监测系统组网；

[0034] 步骤（d）、预警并且进行必要的改进

[0035] 在步骤（c）中增设的处点式加速度传感器的最大振动幅度大于《建筑工程容许振动标准》的最大值时，以工业打桩冲击作业为例，其厂房楼面处容许振动速度限值为
12.0mm/s，当达到或接近最大值时，需人为检查框架柱3和横梁4组成的厂房框架结构是否
有损伤并且进行必要的加固，或者调整工业厂房内的高强度激励的工艺流程或频率。

[0036] 虽然图2只表示的是一个框架柱和横梁，实际上，是在所有框架柱和横梁上进行上述操作。

[0037] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人
员受其启示，在不脱离本发明宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方
法及实施例，均应属于本专利的保护范围。