光纤光栅传感器在500 m口径球面射电望远镜工程索网施工阶段的应用

王玉婷　王启明　朱　明　何　林

1.贵州大学，贵阳，550000　　2.中国科学院国家天文台，北京，100039



光纤光栅传感器在500m口径球面射电望远镜工程索网施工阶段的应用

王玉婷1,2王启明2朱明2何林1

1.贵州大学，贵阳，5500002.中国科学院国家天文台，北京，100039

500m口径球面射电望远镜(FAST)的主动反射面系统由圈梁、反射面单元、主索网及下拉索、促动器和地锚等组成，工程索网施工阶段会对支撑索网结构的圈梁及格构柱结构产生复杂多变的应力影响。为实现对圈梁及格构柱结构精准的应力监测，将光纤光栅传感器应用于圈梁及格构柱结构的索网施工过程监测中。介绍了传感器原理、测点布设、数据采集及数据分析方法。根据FAST索网施工过程监测的特点，基于3σ准则提出了一种新的异常数据处理方法，并利用该方法进行异常数据的分析与剔除。对实测数据进行分析，结果表明，在索网施工过程中圈梁测点的应力始终小于安全值201.5MPa，格构柱测点的应力也一直处于安全范围内，且随着索网施工的进行，其应力变化具有一定的规律性。该光纤光栅传感器监测方法在FAST索网施工阶段得到了良好的应用。

500m口径球面射电望远镜(FAST)；光纤光栅传感器；索网施工；应力监测

0　引言

500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical telescope, FAST)利用贵州喀斯特洼坑作为台址，在洼坑内铺设500 m球冠状反射面[1]，是目前全世界在建及计划建设的最大的单口径射电望远镜。FAST工程包括台址勘察与开挖系统、主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、馈源与接收机系统和观测基地建设系统六大建设系统。作为FAST自主创新之一的主动反射面系统由圈梁、反射面单元、主索网及下拉索、促动器和地锚等组成，其主索网安装在环形圈梁的内侧，由6670个主索通过2225个索节点连接组成；在索网的节点上安装有4450块反射面单元，每个索节点下方连有一个下拉索和促动器，促动器再与地锚连接，通过下拉索驱动索网节点，使其实现位移以完成反射面的主动变形[2]。

FAST索网施工过程会对支撑主索网的圈梁及格构柱的结构产生复杂多变的应力影响，而圈梁及格构柱的状态与整个索网的安全和反射面的精度息息相关，倘若结构出现亚健康状态将会导致应力超限或应力异常重分布，所以在施工过程中对圈梁及格构柱进行应力监测非常重要。通过分析实时监测得到的数据可以有效地预测及防止结构亚健康的出现。

1　索网施工过程对圈梁及格构柱的影响

作为主动反射面系统的主要结构，索网施工的工程量较大，其施工顺序如下：首先从主肋位置开始索网安装，然后分别向主肋左右两侧进行施工，横向索、纵向索交替施工，直至索网最终合拢，索网施工全部完成。图1为FAST索网施工顺序图。

图1　FAST索网施工顺序图

在FAST索网施工过程中，用于支撑主索网的圈梁及格构柱结构的受力情况会发生变化，施工过程中索网安装量的增加和施工设备的架设都会增加圈梁及格构柱的负载，而圈梁及格构柱的状态变化将会对反射面的精度和索网的安全产生影响，因此进行圈梁及格构柱的健康监测十分重要。结构应力是判断结构安全最直接的指标，所以本文通过监测圈梁及格构柱的应力变化来判断其是否处于安全状态，确定索网施工过程对圈梁及格构柱的影响是否在允许范围内。

传感器是监测系统的前端，因此传感器的选择非常重要[3]。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、稳定性好、传输损耗小等诸多优点，它可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、建筑以及航空航天等领域[4-5]，此外，光纤光栅传感器在机械系统结构损伤和运行状态分布式动态监测中也有很好的应用前景[6]。综合以上应用实例，且考虑到射电望远镜对电磁环境要求非常高，因此FAST工程圈梁及格构柱的安全监测选择波长调制型光纤光栅传感器[7]。

2　光纤光栅传感器原理及温度补偿问题

光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期及纤芯折射率有关，光纤光栅传感器利用光纤材料的紫外光敏性在纤芯形成空间相位光栅，在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得一定波长的光波在该区域发生模式耦合，且传播方式发生改变。光纤光栅传感器的传感原理是：环境温度或应力变化引起传感器的中心波长漂移，通过测量中心波长的漂移量，即可相应测得温度或应力的变化量[8]，其峰值的反射波长为

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff为光栅有效折射率；Λ为光栅栅距。

温度T和应变ε的变化将引起neff和Λ的变化，从而引起反射波长的变化[9]。

应变变化时，光弹效应和栅距几何尺寸变化的双重作用会导致光栅反射波长发生变化；温度变化时，光纤的热光效应和热膨胀作用也会引起反射波长的变化。当外界温度和应变发生变化时，相应的Bragg波长的改变为

ΔλB/λB=(1-Pe)Δε+(ξf+αf)ΔT

(2)

式中，Pe、αf和ξf分别为光纤的弹光系数、热膨胀系数和热光系数；ΔλB、Δε、ΔT分别为反射波长、应变、温度的改变量。

可见，波长的漂移是温度和应变两者共同影响的结果，由于光纤光栅传感器同时对温度和应变敏感，因此，当温度和应变同时发生变化时，仅测量单个光栅波长的变化将无法区分由温度和应变分别引起的波长变化,而测量其中一个量时，将不可避免地受到另一个量的影响[10]。交叉敏感问题严重影响了传感器对待测目标参量的测量精确性，为了解决光纤光栅传感器的交叉敏感问题，人们提出了多种解决方案，这些方案按照其原理可分为双波长矩阵运算法、双参量矩阵运算法、温度(应变)补偿法、具有特殊性能的光纤光栅法等[11]。

为了剔除温度对应变测量的影响，本文采用温度(应变)补偿法[12]，使用了BSIL-GS200T型光纤光栅应变计。该应变计内含光纤光栅温度计，自带温度补偿应变计，以此来解决光纤光栅应变计在实际应用中存在的应变温度交叉敏感问题。在传感器出厂之前进行了应力换算公式的系数标定，从而达到在实际工程中间接测量结构应力的目的。上述方案具有耐用性强、布线简单等优点。

利用温度(应变)补偿法，通过对传感单元进行特殊设计，使其某相对物理量对温度(应变)不敏感，从而实现温度(应变) 的测量或温度与应变同时测量的目的[13]。

光纤光栅传感器测量数据为波长值，根据式(1)、式(2)与BSIL-GS200T型光纤光栅应变计的基本参数进行温度修正，再计算构件应变值。应变与结构材料的积即为载荷作用下所引起的应力变化，再加上结构初始应力，就是该测点的应力值，即

σ1=Eε+σ0

(3)

ε=KΔλB+B(λt1-λt0)-αfΔT

(4)

ΔT=100(λt1-λt0)

(5)

式中，σ1为实测应力；E为材料的弹性模量；ε为测量应变； σ0为初始应力；K为应变计应变系数；B为传感器温度修正系数，B=1000-2.3K；λt1为温度补偿光栅当前波长值；λt0为温度补偿光栅初始波长值。

综上，即可将光纤光栅传感器测得的波长值换算为应力值，并完成温度补偿。本文所述光纤光栅传感器固定于钢结构表面，如图2所示。

图2　光纤光栅传感器的安装

3　测点布设及数据采集

对监测方案进行设计的过程中，需要分析监测对象结构，选择受力典型的测点进行传感器布设。优化传感器数量可以降低监测方案的复杂程度，并降低经济成本，同时全面的结构信息能够对评定结构的安全状态提供支持。

通过对FAST主动反射面系统结构进行分析，在圈梁及格构柱上选择了100个测点布设光纤光栅传感器。圈梁段对应的格构柱编号如图3所示，最上方圆圈内为1号格构柱，顺时针方向依次为2，3，…，50号格构柱，6、16、26、36、46号格构柱与区域中心位置的连线为5个主肋位置，这5个主肋将索网施工区域划分为5个扇区，分别命名为A、B、C、D、E扇区，如图3所示。本文经过测点优化后，在扇区中部区域的1、11、21、31、41号格构柱及其对应圈梁段上分别选择9个测点，在处于主肋位置的6、16、26、36、46号格构柱及其对应圈梁段上分别选择11个测点，如图4、图5所示。

图3　格构柱编号

图4　1、11、21、31、41号格构柱及对应圈梁段上光纤光栅应变计编号图

图5　6、16、26、36、46号格构柱及对应圈梁段上光纤光栅应变计编号图

自索网施工之日起这100个光纤光栅传感器始终处于实时监测状态，本文分析的数据为索网安装施工起始至索网安装施工结束采集的数据，圈梁及格构柱每日采集三次数据，上午、下午、晚上各采集一次，并记录测量时的工况。

传感器线缆集中到位于圈梁上的两个临时采集点，通过上位机进行数据采集，最后通过无线局域网把测得的数据传至临时监测室，完成数据采集工作。数据传输过程如图6所示。

图6施工过程监测数据传输过程图

4　监测结果分析

为了分析影响圈梁应力变化的主要因素，本文根据光纤光栅传感器采集到的实时温度数据并利用钢结构温度应力模型剔除实测应力中由温度引起的结构应力变化量，其计算公式如下：

σ2=σ1-ΔTαE

(6)

ΔT=T0-20

(7)

式中，α为热膨胀系数；σ2为计算应力；T0为实测温度。

利用式(6)、式(7)将圈梁及格构柱结构应力统一换算为温度20 ℃时的应力，将得到的应力-时间曲线与实际温度下的应力-时间曲线进行对比，分析应力变化的主要影响因素。

以11号格构柱对应圈梁段上6号光纤光栅传感器实测数据为例，剔除温度影响后的结构应力数据如图7所示。

图7　剔除温度影响后11号格构柱对应圈梁段上6号光纤光栅传感器的应力-时间(数据个数)关系图

图7中，直线L1表示应力的均值，直线L2是用最小二乘法拟合出来的直线，θ是L1和L2之间的夹角，A、B点为实际的应力点，A′、B′点分别为与A、B两点横坐标相同的L1上的点。若采用3σ准则，即把满足

(8)

的点看成异常点，因BB′的长度大于AA′的长度，所以点B被作为异常点选出，而点A则被排除在外，从图7中可以明显看出，A点更趋于异常，因此，在这种情况下，3σ准则并不适用。若图中的θ越大，应力随时间变化越明显，则数据的标准差σ也就越大，像点A这样的异常点被漏掉的可能性也就越大。因此，本文根据FAST索网施工过程监测的特点，基于3σ准则提出一种新的异常数据处理方法：

(9)

由式(9)可以看出，当θ=0时，判定准则回归到3σ准则，即本方法较3σ准则调整了异常点的限定条件。初步选出异常点后，再把初选出的异常点和附近12个点(不包括该异常点)的平均值相比较，若选出的异常点和附近点的平均值的差大于附近12个点的标准差的3倍，则判定其为异常点，否则认为其为正常点。应用此方法确定各个传感器的异常数据。

4.1扇区中部位置圈梁应力

扇区中部位置圈梁测点就是图4中圈梁及格构柱上布设的1、2、3、6、7、8号光纤光栅传感器位置。扇区中部区域在挂索前期(主肋区域至扇区中部区域索网施工时期)，其应力的变化趋势并不明显，应力基本处于稳定值，而当索网施工进行到工程量的50%左右时，此区域的应力上升趋势才逐渐变得明显。

监测结果表明，在索网安装施工阶段所有应力数据都处在阈值范围之内，扇区中部区域圈梁处于健康状态。剔除外界温度影响之后，应力-时间曲线的变化范围变小，应力趋于稳定，但仍有轻微上升趋势，因而索网施工阶段扇区中部区域应力变化的主要影响因素是外部温度对构件自身的影响。

以31号格构柱对应位置的圈梁段6号传感器为例，其实测应力-时间关系如图8a所示。将应力值统一换算为20 ℃时的应力，将得到的应力-时间曲线(图8b)与实际温度下的应力-时间曲线(图8a)进行对比，发现两者差别较大，因此扇区中部区域在挂索期间受构件自身温度变化影响较大。当结构温度这一因素剔除之后，尽管挂索量增加，但该区域的受力情况却变化不大，所以索量的增加对其应力影响在挂索前期(主肋区域施工时期)并不明显，当施工进度为50%左右时，这种影响逐渐变得明显。扇区中部区域圈梁的应力始终小于设计安全值，说明在整个索网施工过程中，该区域圈梁一直处于健康状态。

(a)实测应力-时间关系

(b)剔除温度影响后的应力-时间关系图8　31号格构柱对应圈梁段上6号传感器应力-时间关系

采用本文提出的异常点筛选方法进行异常点识别，发现扇区中部区域测点2014年11月30日的数据均为异常点，故在系统中将当天数据予以剔除，从而达到提高监测数据质量的目的。

4.2索网主肋位置圈梁应力

索网主肋位置圈梁测点就是图5中圈梁上布设的1、2、3、7、8、9、10、11号光纤光栅传感器位置。索网主肋区域圈梁在挂索前期其应力呈增大趋势，而当索网施工进行到工程量的50%左右时，主肋周围主索安装完成，应力分布发生变化，应力不单纯集中在主肋位置，因而此时主肋区域的应力减小，应力-时间曲线(图9a)出现拐点。

监测结果表明，在索网安装施工阶段所有应力数据都处在阈值范围之内，索网主肋区域的圈梁段均处于健康状态。

以6号格构柱对应圈梁段上7号传感器为例，其实测应力-时间关系如图9a所示。将应力值统一换算为20 ℃时的应力，将得到的应力-时间曲线(图9b)与实际温度下的应力-时间曲线(图9a)进行对比，发现两者变化趋势基本相同，因此索网主肋区域在挂索期间受到构件自身温度变化的影响很小，当结构温度这一因素剔除之后，应力-时间曲线呈现先上升后下降趋势，其应力始终小于设计安全值，因此整个索网施工过程中，索网主肋区域的圈梁段一直处于健康状态。

(b)剔除温度影响后的应力-时间关系图9　6号格构柱对应圈梁段上7号传感器应力-时间关系

4.3格构柱应力

格构柱测点就是图4中格构柱上布设的4、5、9号光纤光栅传感器位置以及图5中格构柱上布设的4、5、6号光纤光栅传感器位置，监测结果表明，在索网安装施工阶段，格构柱所含测点的所有应力数据都处在阈值范围之内，格构柱均处于健康状态。剔除外界温度影响之后的应力-时间曲线呈现上升趋势，因而索网施工阶段索力的变化影响了格构柱的应力变化。

索网施工阶段索力的变化影响了格构柱的应力变化。以16号格构柱上4号传感器为例，其实测应力-时间关系如图10a所示。将应力值统一换算为20 ℃时的应力，将得到的应力-时间曲线(图10b)与实际温度下的应力-时间曲线(图10a)进行对比，发现两者应力差别较大，因此格构柱区域在挂索期间受温度影响较大。随着挂索量的增加主肋区域圈梁的受力增大，其应力呈上升趋势。格构柱所含测点的应力值始终小于设计安全值，因此整个索网施工过程中，格构柱一直处于健康状态。

(a)实测应力-时间关系

(b)剔除温度影响后的应力-时间关系图10　16号格构柱对应圈梁段上4号传感器应力-时间关系

再次采用本文提出的异常点筛选方法进行异常点识别，发现格构柱区域测点2014年11月30日的数据均为异常点，故将当天数据予以剔除，从而达到提高监测数据质量的目的。

5　结论

(1)本文提出了500m口径球面射电望远镜(FAST)索网施工过程中圈梁及格构柱应力监测的方法，为FAST索网施工提供预警保障。

(2)结合结构构件应变以及温度监测数据，通过将结构温度统一为20 ℃的方法，减小结构温度变化对杆件应变变化的影响，从而确定不同位置圈梁应力变化的主要影响因素。

(3)基于3σ准则提出新的数据筛选方法来剔除应力监测中的异常数据，提高了监测数据质量。

(4)通过统计分析确定杆件应变的变化范围，与设计值相比较，确认索网施工过程中圈梁与格构柱均始终处于安全状态。通过对比圈梁主肋区域与索网扇区中部圈梁的应力变化趋势，发现挂索量的变化对两区域均有影响。当施工进行到工程量的50%时，主肋区域的圈梁应力从上升趋势变为下降趋势，此时应力不单纯集中在主肋位置，索网扇区中部圈梁的应力随着索网安装过程的进行而逐渐增大；挂索量的增加导致格构柱的受力增大，整个索网施工过程中，格构柱受力较为均匀。以上结果与索网施工过程的各个圈梁段及格构柱应力变化的理论规律一致，证明光纤光栅传感器可以完成圈梁格构柱的监测任务。

本文提出的数据处理方法已成功应用到FAST工程主动反射面系统健康监测的数据处理中。本文将光纤光栅传感器应用到FAST工程索网安装阶段圈梁及格构柱的安全监测及预警之中，对类似大型工程的施工过程监测具有一定的借鉴意义。

致谢感谢北京建筑设计研究院有限公司对本文测点选择工作的支持，感谢柳州欧维姆机械股份有限公司对本文系统集成和数据采集工作的支持。

[1]Nan R D. Five Hundred Meter Aperture Spherical Radio Telescope(FAST)[J].Science in China:Series G:Physics Mechanics&Astronomy,2006,49(2):129-148.

[2]Nan R D, Li H X.Progress of FAST in Science, Technique and Instrument[J]. Science in China:Series G:Physics Mechanics&Astronomy,2014 (10): 1063-1074.

[3]杨君琦.应变传感器的应变传递理论及传感特性研究[D]. 长沙：中南大学, 2013.

[4]贾宏志.光纤光栅传感器的理论和技术研究[D].西安：中国科学院西安光学精密机械研究所, 2001.

[5]常琦, 袁慎芳, 苗苗,等. 基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究[J]. 中国机械工程, 2009,20(1):64-68.

Chang Qi,Yuan Shenfang,Miao Miao, et al. Detection of Siding Damage Based on the Carbon Fiber Bragg Grating[J]. China Mechanical Engineering， 2009,20(1):64-68.

[6]魏莉,周祖德,黄俊,等. 一种光纤光栅非接触机械振动传感器的研究[J]. 中国机械工程, 2013, 24(14): 1873-1876.

Wei Li,Zhou Zude,Huang Jun, et al. An Optical Fiber Grating of Non - contact Mechanical Vibration Sensor[J]. China Mechanical Engineering， 2013, 24(14): 1873-1876.

[7]唐炜, 史仪凯.Bragg光纤传感技术应用研[J].光学精密工程,2002,10(1):79-83.

Tang Wei, Shi Yikai. Research on the Application of Bragg Optical Fiber Sensing Technology[J].Opl.Precision Eng., 2002,10(1)：79-83.

[8]周丽, 梁大开, 曾捷, 等. 温度影响光纤光栅传感器性能蜕化机理及实验研究[J]. 中国激光, 2012, 39(4): 117-122.

Zhou Li, Liang Dakai, Zeng Jie, et al. Mechanism and Experimental Research on Performance Degeneratio of Fiber Bragg Grating Affected by Temperature[J]. Chinese Laser, 2012, 39(4):117-122.

[9]李玉龙，胡永涛.光纤布拉格光栅在焊接监测中的应用[J].光学精密工程，2013,21(11):2803-2812.

Li Yulong，Hu Yongtao. Application of Optical Fiber Bragg Grating in Welding Monitoring[J].Opl. Precision Eng.,2013,21(11):2803-2812.

[10]孙丽. 光纤光栅传感技术与工程应用研究[D]. 大连：大连理工大学, 2006.

[11]王雯珍, 刘月明. FBG应变传感器温度交叉敏感补偿技术研究[J]. 光电技术应用,2014，29(2):51-56.

Wang Wenzhen,Liu Yueming. Research on Temperature Cross Sensitivity Compensation Technology of FBG Strain Sensor[J].Electro-Optic Technology Application,2014,29(2):51-56.

[12]孙晓, 王启明, 朱明,等.光纤Bragg光栅应变计在500m口径球面射电望远镜工程索力监测中的应用[J]. 光学精密工程,2015，23(4): 919-925.

Sun Xiao,Wang Qiming,Zhu Ming, et al. Application of Optical Fiber Bragg Grating Strain Gauge to Cable Force Monitoring of FAST[J]. Opl.Precision Eng., 2015，23(4): 919-925.

[13]陈丽娟, 贺明玲, 王坤. 光纤光栅传感器交叉敏感问题解决方案[J]. 数字通信, 2012,6(4): 15-17

Chen Lijuan,He Mingling,Wang Kun. Solutions of Optical Fiber Grating Sensor Cross Sensitivity[J].Digital Communication,2012,6(4):15-17.

(编辑苏卫国)

Applications of Fiber Grating Sensor in Construction Stage of Cable Net for FAST

Wang Yuting1,2Wang Qiming2Zhu Ming2He Lin1

1.Guizhou University,Guiyang，550000 2.National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039

Active reflector system of FAST consisted of ring beam, reflector unit, main cable and downhaul, actuator and anchor etc. During the construction phases of cable net，there would produce complex stress factors for the ring beam and lattice column which supported cable net structure. In order to achieve precise stress of the ring beam and lattice column structure, during the construction processes of cable network, this paper presented fiber grating sensors for monitoring the ring beam and lattice column structures. The principles of the sensor, measuring point layout, data collection and analysis methods were introduced. A new exceptional data processing method was proposed according to features of construction monitoring and 3σ criteria. This method was used to analyze and eliminate abnormal data.Then the measured data were analyzed, the results show that the cable network construction process stresses of the ring beam measuring points are always less than the value of the security 201.5 MPa, the stresses of measuring points of lattice column are in the safe range, and with the progress of construction of the cable network, this paper found changes in the stresses with a certain regularity.This method of monitoring stress with fiber grating sensors is a good application in the FAST cable network construction phase.

five-hundred-meter aperture spherical telescope(FAST)；fiber grating sensor；cable-net construction；stress monitoring

2015-07-22

2016-05-18

国家自然科学基金资助项目(11173035)

TH823

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.012

王玉婷，女，1990年生。贵州大学机械工程学院、中国科学院国家天文台联合培养硕士研究生。主要研究方向为FAST工程主动反射面健康监测系统。王启明，男，1961年生。中国科学院国家天文台研究员、博士研究生导师。朱明，男，1986年生。中国科学院国家天文台高级工程师。何林，男，1965年生。贵州大学机械工程学院教授、博士研究生导师。