光纖光柵傳感器在500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程索網(wǎng)施工階段的應(yīng)用

王玉婷　王啟明　朱　明　何　林

1.貴州大學(xué)，貴陽(yáng)，550000　　2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京，100039

?

光纖光柵傳感器在500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程索網(wǎng)施工階段的應(yīng)用

王玉婷1,2王啟明2朱明2何林1

1.貴州大學(xué)，貴陽(yáng)，5500002.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京，100039

500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)的主動(dòng)反射面系統(tǒng)由圈梁、反射面單元、主索網(wǎng)及下拉索、促動(dòng)器和地錨等組成，工程索網(wǎng)施工階段會(huì)對(duì)支撐索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的圈梁及格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜多變的應(yīng)力影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)圈梁及格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，將光纖光柵傳感器應(yīng)用于圈梁及格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)的索網(wǎng)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)中。介紹了傳感器原理、測(cè)點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析方法。根據(jù)FAST索網(wǎng)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，基于3σ準(zhǔn)則提出了一種新的異常數(shù)據(jù)處理方法，并利用該方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的分析與剔除。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在索網(wǎng)施工過(guò)程中圈梁測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力始終小于安全值201.5MPa，格構(gòu)柱測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力也一直處于安全范圍內(nèi)，且隨著索網(wǎng)施工的進(jìn)行，其應(yīng)力變化具有一定的規(guī)律性。該光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)方法在FAST索網(wǎng)施工階段得到了良好的應(yīng)用。

500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)；光纖光柵傳感器；索網(wǎng)施工；應(yīng)力監(jiān)測(cè)

0　引言

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(five-hundred-meter aperture spherical telescope, FAST)利用貴州喀斯特洼坑作為臺(tái)址，在洼坑內(nèi)鋪設(shè)500 m球冠狀反射面[1]，是目前全世界在建及計(jì)劃建設(shè)的最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。FAST工程包括臺(tái)址勘察與開(kāi)挖系統(tǒng)、主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、饋源與接收機(jī)系統(tǒng)和觀測(cè)基地建設(shè)系統(tǒng)六大建設(shè)系統(tǒng)。作為FAST自主創(chuàng)新之一的主動(dòng)反射面系統(tǒng)由圈梁、反射面單元、主索網(wǎng)及下拉索、促動(dòng)器和地錨等組成，其主索網(wǎng)安裝在環(huán)形圈梁的內(nèi)側(cè)，由6670個(gè)主索通過(guò)2225個(gè)索節(jié)點(diǎn)連接組成；在索網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)上安裝有4450塊反射面單元，每個(gè)索節(jié)點(diǎn)下方連有一個(gè)下拉索和促動(dòng)器，促動(dòng)器再與地錨連接，通過(guò)下拉索驅(qū)動(dòng)索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，使其實(shí)現(xiàn)位移以完成反射面的主動(dòng)變形[2]。

FAST索網(wǎng)施工過(guò)程會(huì)對(duì)支撐主索網(wǎng)的圈梁及格構(gòu)柱的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜多變的應(yīng)力影響，而圈梁及格構(gòu)柱的狀態(tài)與整個(gè)索網(wǎng)的安全和反射面的精度息息相關(guān)，倘若結(jié)構(gòu)出現(xiàn)亞健康狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布，所以在施工過(guò)程中對(duì)圈梁及格構(gòu)柱進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)非常重要。通過(guò)分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)可以有效地預(yù)測(cè)及防止結(jié)構(gòu)亞健康的出現(xiàn)。

1　索網(wǎng)施工過(guò)程對(duì)圈梁及格構(gòu)柱的影響

作為主動(dòng)反射面系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，索網(wǎng)施工的工程量較大，其施工順序如下：首先從主肋位置開(kāi)始索網(wǎng)安裝，然后分別向主肋左右兩側(cè)進(jìn)行施工，橫向索、縱向索交替施工，直至索網(wǎng)最終合攏，索網(wǎng)施工全部完成。圖1為FAST索網(wǎng)施工順序圖。

圖1　FAST索網(wǎng)施工順序圖

在FAST索網(wǎng)施工過(guò)程中，用于支撐主索網(wǎng)的圈梁及格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)的受力情況會(huì)發(fā)生變化，施工過(guò)程中索網(wǎng)安裝量的增加和施工設(shè)備的架設(shè)都會(huì)增加圈梁及格構(gòu)柱的負(fù)載，而圈梁及格構(gòu)柱的狀態(tài)變化將會(huì)對(duì)反射面的精度和索網(wǎng)的安全產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行圈梁及格構(gòu)柱的健康監(jiān)測(cè)十分重要。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，所以本文通過(guò)監(jiān)測(cè)圈梁及格構(gòu)柱的應(yīng)力變化來(lái)判斷其是否處于安全狀態(tài)，確定索網(wǎng)施工過(guò)程對(duì)圈梁及格構(gòu)柱的影響是否在允許范圍內(nèi)。

傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端，因此傳感器的選擇非常重要[3]。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性能好、耐腐蝕、穩(wěn)定性好、傳輸損耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，它可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決的問(wèn)題，故自從它問(wèn)世以來(lái)，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、建筑以及航空航天等領(lǐng)域[4-5]，此外，光纖光柵傳感器在機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷和運(yùn)行狀態(tài)分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中也有很好的應(yīng)用前景[6]。綜合以上應(yīng)用實(shí)例，且考慮到射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)電磁環(huán)境要求非常高，因此FAST工程圈梁及格構(gòu)柱的安全監(jiān)測(cè)選擇波長(zhǎng)調(diào)制型光纖光柵傳感器[7]。

2　光纖光柵傳感器原理及溫度補(bǔ)償問(wèn)題

光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期及纖芯折射率有關(guān)，光纖光柵傳感器利用光纖材料的紫外光敏性在纖芯形成空間相位光柵，在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，使得一定波長(zhǎng)的光波在該區(qū)域發(fā)生模式耦合，且傳播方式發(fā)生改變。光纖光柵傳感器的傳感原理是：環(huán)境溫度或應(yīng)力變化引起傳感器的中心波長(zhǎng)漂移，通過(guò)測(cè)量中心波長(zhǎng)的漂移量，即可相應(yīng)測(cè)得溫度或應(yīng)力的變化量[8]，其峰值的反射波長(zhǎng)為

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff為光柵有效折射率；Λ為光柵柵距。

溫度T和應(yīng)變?chǔ)诺淖兓瘜⒁餹eff和Λ的變化，從而引起反射波長(zhǎng)的變化[9]。

應(yīng)變變化時(shí)，光彈效應(yīng)和柵距幾何尺寸變化的雙重作用會(huì)導(dǎo)致光柵反射波長(zhǎng)發(fā)生變化；溫度變化時(shí)，光纖的熱光效應(yīng)和熱膨脹作用也會(huì)引起反射波長(zhǎng)的變化。當(dāng)外界溫度和應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的Bragg波長(zhǎng)的改變?yōu)?/p>

ΔλB/λB=(1-Pe)Δε+(ξf+αf)ΔT

(2)

式中，Pe、αf和ξf分別為光纖的彈光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；ΔλB、Δε、ΔT分別為反射波長(zhǎng)、應(yīng)變、溫度的改變量。

可見(jiàn)，波長(zhǎng)的漂移是溫度和應(yīng)變兩者共同影響的結(jié)果，由于光纖光柵傳感器同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，因此，當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，僅測(cè)量單個(gè)光柵波長(zhǎng)的變化將無(wú)法區(qū)分由溫度和應(yīng)變分別引起的波長(zhǎng)變化,而測(cè)量其中一個(gè)量時(shí)，將不可避免地受到另一個(gè)量的影響[10]。交叉敏感問(wèn)題嚴(yán)重影響了傳感器對(duì)待測(cè)目標(biāo)參量的測(cè)量精確性，為了解決光纖光柵傳感器的交叉敏感問(wèn)題，人們提出了多種解決方案，這些方案按照其原理可分為雙波長(zhǎng)矩陣運(yùn)算法、雙參量矩陣運(yùn)算法、溫度(應(yīng)變)補(bǔ)償法、具有特殊性能的光纖光柵法等[11]。

為了剔除溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，本文采用溫度(應(yīng)變)補(bǔ)償法[12]，使用了BSIL-GS200T型光纖光柵應(yīng)變計(jì)。該應(yīng)變計(jì)內(nèi)含光纖光柵溫度計(jì)，自帶溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，以此來(lái)解決光纖光柵應(yīng)變計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的應(yīng)變溫度交叉敏感問(wèn)題。在傳感器出廠之前進(jìn)行了應(yīng)力換算公式的系數(shù)標(biāo)定，從而達(dá)到在實(shí)際工程中間接測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力的目的。上述方案具有耐用性強(qiáng)、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

利用溫度(應(yīng)變)補(bǔ)償法，通過(guò)對(duì)傳感單元進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使其某相對(duì)物理量對(duì)溫度(應(yīng)變)不敏感，從而實(shí)現(xiàn)溫度(應(yīng)變) 的測(cè)量或溫度與應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的目的[13]。

光纖光柵傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)為波長(zhǎng)值，根據(jù)式(1)、式(2)與BSIL-GS200T型光纖光柵應(yīng)變計(jì)的基本參數(shù)進(jìn)行溫度修正，再計(jì)算構(gòu)件應(yīng)變值。應(yīng)變與結(jié)構(gòu)材料的積即為載荷作用下所引起的應(yīng)力變化，再加上結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力，就是該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，即

σ1=Eε+σ0

(3)

ε=KΔλB+B(λt1-λt0)-αfΔT

(4)

ΔT=100(λt1-λt0)

(5)

式中，σ1為實(shí)測(cè)應(yīng)力；E為材料的彈性模量；ε為測(cè)量應(yīng)變； σ0為初始應(yīng)力；K為應(yīng)變計(jì)應(yīng)變系數(shù)；B為傳感器溫度修正系數(shù)，B=1000-2.3K；λt1為溫度補(bǔ)償光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值；λt0為溫度補(bǔ)償光柵初始波長(zhǎng)值。

綜上，即可將光纖光柵傳感器測(cè)得的波長(zhǎng)值換算為應(yīng)力值，并完成溫度補(bǔ)償。本文所述光纖光柵傳感器固定于鋼結(jié)構(gòu)表面，如圖2所示。

圖2　光纖光柵傳感器的安裝

3　測(cè)點(diǎn)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要分析監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)，選擇受力典型的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行傳感器布設(shè)。優(yōu)化傳感器數(shù)量可以降低監(jiān)測(cè)方案的復(fù)雜程度，并降低經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)全面的結(jié)構(gòu)信息能夠?qū)υu(píng)定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)提供支持。

通過(guò)對(duì)FAST主動(dòng)反射面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在圈梁及格構(gòu)柱上選擇了100個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)光纖光柵傳感器。圈梁段對(duì)應(yīng)的格構(gòu)柱編號(hào)如圖3所示，最上方圓圈內(nèi)為1號(hào)格構(gòu)柱，順時(shí)針?lè)较蛞来螢?，3，…，50號(hào)格構(gòu)柱，6、16、26、36、46號(hào)格構(gòu)柱與區(qū)域中心位置的連線為5個(gè)主肋位置，這5個(gè)主肋將索網(wǎng)施工區(qū)域劃分為5個(gè)扇區(qū)，分別命名為A、B、C、D、E扇區(qū)，如圖3所示。本文經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化后，在扇區(qū)中部區(qū)域的1、11、21、31、41號(hào)格構(gòu)柱及其對(duì)應(yīng)圈梁段上分別選擇9個(gè)測(cè)點(diǎn)，在處于主肋位置的6、16、26、36、46號(hào)格構(gòu)柱及其對(duì)應(yīng)圈梁段上分別選擇11個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4、圖5所示。

圖3　格構(gòu)柱編號(hào)

圖4　1、11、21、31、41號(hào)格構(gòu)柱及對(duì)應(yīng)圈梁段上光纖光柵應(yīng)變計(jì)編號(hào)圖

圖5　6、16、26、36、46號(hào)格構(gòu)柱及對(duì)應(yīng)圈梁段上光纖光柵應(yīng)變計(jì)編號(hào)圖

自索網(wǎng)施工之日起這100個(gè)光纖光柵傳感器始終處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，本文分析的數(shù)據(jù)為索網(wǎng)安裝施工起始至索網(wǎng)安裝施工結(jié)束采集的數(shù)據(jù)，圈梁及格構(gòu)柱每日采集三次數(shù)據(jù)，上午、下午、晚上各采集一次，并記錄測(cè)量時(shí)的工況。

傳感器線纜集中到位于圈梁上的兩個(gè)臨時(shí)采集點(diǎn)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)把測(cè)得的數(shù)據(jù)傳至臨時(shí)監(jiān)測(cè)室，完成數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖6所示。

圖6施工過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖

4　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了分析影響圈梁應(yīng)力變化的主要因素，本文根據(jù)光纖光柵傳感器采集到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并利用鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力模型剔除實(shí)測(cè)應(yīng)力中由溫度引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化量，其計(jì)算公式如下：

σ2=σ1-ΔTαE

(6)

ΔT=T0-20

(7)

式中，α為熱膨脹系數(shù)；σ2為計(jì)算應(yīng)力；T0為實(shí)測(cè)溫度。

利用式(6)、式(7)將圈梁及格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力統(tǒng)一換算為溫度20 ℃時(shí)的應(yīng)力，將得到的應(yīng)力-時(shí)間曲線與實(shí)際溫度下的應(yīng)力-時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比，分析應(yīng)力變化的主要影響因素。

以11號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上6號(hào)光纖光柵傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，剔除溫度影響后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　剔除溫度影響后11號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上6號(hào)光纖光柵傳感器的應(yīng)力-時(shí)間(數(shù)據(jù)個(gè)數(shù))關(guān)系圖

圖7中，直線L1表示應(yīng)力的均值，直線L2是用最小二乘法擬合出來(lái)的直線，θ是L1和L2之間的夾角，A、B點(diǎn)為實(shí)際的應(yīng)力點(diǎn)，A′、B′點(diǎn)分別為與A、B兩點(diǎn)橫坐標(biāo)相同的L1上的點(diǎn)。若采用3σ準(zhǔn)則，即把滿足

(8)

的點(diǎn)看成異常點(diǎn)，因BB′的長(zhǎng)度大于AA′的長(zhǎng)度，所以點(diǎn)B被作為異常點(diǎn)選出，而點(diǎn)A則被排除在外，從圖7中可以明顯看出，A點(diǎn)更趨于異常，因此，在這種情況下，3σ準(zhǔn)則并不適用。若圖中的θ越大，應(yīng)力隨時(shí)間變化越明顯，則數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ也就越大，像點(diǎn)A這樣的異常點(diǎn)被漏掉的可能性也就越大。因此，本文根據(jù)FAST索網(wǎng)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，基于3σ準(zhǔn)則提出一種新的異常數(shù)據(jù)處理方法：

(9)

由式(9)可以看出，當(dāng)θ=0時(shí)，判定準(zhǔn)則回歸到3σ準(zhǔn)則，即本方法較3σ準(zhǔn)則調(diào)整了異常點(diǎn)的限定條件。初步選出異常點(diǎn)后，再把初選出的異常點(diǎn)和附近12個(gè)點(diǎn)(不包括該異常點(diǎn))的平均值相比較，若選出的異常點(diǎn)和附近點(diǎn)的平均值的差大于附近12個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差的3倍，則判定其為異常點(diǎn)，否則認(rèn)為其為正常點(diǎn)。應(yīng)用此方法確定各個(gè)傳感器的異常數(shù)據(jù)。

4.1扇區(qū)中部位置圈梁應(yīng)力

扇區(qū)中部位置圈梁測(cè)點(diǎn)就是圖4中圈梁及格構(gòu)柱上布設(shè)的1、2、3、6、7、8號(hào)光纖光柵傳感器位置。扇區(qū)中部區(qū)域在掛索前期(主肋區(qū)域至扇區(qū)中部區(qū)域索網(wǎng)施工時(shí)期)，其應(yīng)力的變化趨勢(shì)并不明顯，應(yīng)力基本處于穩(wěn)定值，而當(dāng)索網(wǎng)施工進(jìn)行到工程量的50%左右時(shí)，此區(qū)域的應(yīng)力上升趨勢(shì)才逐漸變得明顯。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在索網(wǎng)安裝施工階段所有應(yīng)力數(shù)據(jù)都處在閾值范圍之內(nèi)，扇區(qū)中部區(qū)域圈梁處于健康狀態(tài)。剔除外界溫度影響之后，應(yīng)力-時(shí)間曲線的變化范圍變小，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，但仍有輕微上升趨勢(shì)，因而索網(wǎng)施工階段扇區(qū)中部區(qū)域應(yīng)力變化的主要影響因素是外部溫度對(duì)構(gòu)件自身的影響。

以31號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)位置的圈梁段6號(hào)傳感器為例，其實(shí)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系如圖8a所示。將應(yīng)力值統(tǒng)一換算為20 ℃時(shí)的應(yīng)力，將得到的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖8b)與實(shí)際溫度下的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖8a)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者差別較大，因此扇區(qū)中部區(qū)域在掛索期間受構(gòu)件自身溫度變化影響較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度這一因素剔除之后，盡管掛索量增加，但該區(qū)域的受力情況卻變化不大，所以索量的增加對(duì)其應(yīng)力影響在掛索前期(主肋區(qū)域施工時(shí)期)并不明顯，當(dāng)施工進(jìn)度為50%左右時(shí)，這種影響逐漸變得明顯。扇區(qū)中部區(qū)域圈梁的應(yīng)力始終小于設(shè)計(jì)安全值，說(shuō)明在整個(gè)索網(wǎng)施工過(guò)程中，該區(qū)域圈梁一直處于健康狀態(tài)。

(a)實(shí)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系

(b)剔除溫度影響后的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系圖8　31號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上6號(hào)傳感器應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系

采用本文提出的異常點(diǎn)篩選方法進(jìn)行異常點(diǎn)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)扇區(qū)中部區(qū)域測(cè)點(diǎn)2014年11月30日的數(shù)據(jù)均為異常點(diǎn)，故在系統(tǒng)中將當(dāng)天數(shù)據(jù)予以剔除，從而達(dá)到提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。

4.2索網(wǎng)主肋位置圈梁應(yīng)力

索網(wǎng)主肋位置圈梁測(cè)點(diǎn)就是圖5中圈梁上布設(shè)的1、2、3、7、8、9、10、11號(hào)光纖光柵傳感器位置。索網(wǎng)主肋區(qū)域圈梁在掛索前期其應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，而當(dāng)索網(wǎng)施工進(jìn)行到工程量的50%左右時(shí)，主肋周圍主索安裝完成，應(yīng)力分布發(fā)生變化，應(yīng)力不單純集中在主肋位置，因而此時(shí)主肋區(qū)域的應(yīng)力減小，應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖9a)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在索網(wǎng)安裝施工階段所有應(yīng)力數(shù)據(jù)都處在閾值范圍之內(nèi)，索網(wǎng)主肋區(qū)域的圈梁段均處于健康狀態(tài)。

以6號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上7號(hào)傳感器為例，其實(shí)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系如圖9a所示。將應(yīng)力值統(tǒng)一換算為20 ℃時(shí)的應(yīng)力，將得到的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖9b)與實(shí)際溫度下的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖9a)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)基本相同，因此索網(wǎng)主肋區(qū)域在掛索期間受到構(gòu)件自身溫度變化的影響很小，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度這一因素剔除之后，應(yīng)力-時(shí)間曲線呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，其應(yīng)力始終小于設(shè)計(jì)安全值，因此整個(gè)索網(wǎng)施工過(guò)程中，索網(wǎng)主肋區(qū)域的圈梁段一直處于健康狀態(tài)。

(b)剔除溫度影響后的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系圖9　6號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上7號(hào)傳感器應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系

4.3格構(gòu)柱應(yīng)力

格構(gòu)柱測(cè)點(diǎn)就是圖4中格構(gòu)柱上布設(shè)的4、5、9號(hào)光纖光柵傳感器位置以及圖5中格構(gòu)柱上布設(shè)的4、5、6號(hào)光纖光柵傳感器位置，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在索網(wǎng)安裝施工階段，格構(gòu)柱所含測(cè)點(diǎn)的所有應(yīng)力數(shù)據(jù)都處在閾值范圍之內(nèi)，格構(gòu)柱均處于健康狀態(tài)。剔除外界溫度影響之后的應(yīng)力-時(shí)間曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因而索網(wǎng)施工階段索力的變化影響了格構(gòu)柱的應(yīng)力變化。

索網(wǎng)施工階段索力的變化影響了格構(gòu)柱的應(yīng)力變化。以16號(hào)格構(gòu)柱上4號(hào)傳感器為例，其實(shí)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系如圖10a所示。將應(yīng)力值統(tǒng)一換算為20 ℃時(shí)的應(yīng)力，將得到的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖10b)與實(shí)際溫度下的應(yīng)力-時(shí)間曲線(圖10a)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者應(yīng)力差別較大，因此格構(gòu)柱區(qū)域在掛索期間受溫度影響較大。隨著掛索量的增加主肋區(qū)域圈梁的受力增大，其應(yīng)力呈上升趨勢(shì)。格構(gòu)柱所含測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值始終小于設(shè)計(jì)安全值，因此整個(gè)索網(wǎng)施工過(guò)程中，格構(gòu)柱一直處于健康狀態(tài)。

(a)實(shí)測(cè)應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系

(b)剔除溫度影響后的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系圖10　16號(hào)格構(gòu)柱對(duì)應(yīng)圈梁段上4號(hào)傳感器應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系

再次采用本文提出的異常點(diǎn)篩選方法進(jìn)行異常點(diǎn)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)格構(gòu)柱區(qū)域測(cè)點(diǎn)2014年11月30日的數(shù)據(jù)均為異常點(diǎn)，故將當(dāng)天數(shù)據(jù)予以剔除，從而達(dá)到提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。

5　結(jié)論

(1)本文提出了500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)索網(wǎng)施工過(guò)程中圈梁及格構(gòu)柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方法，為FAST索網(wǎng)施工提供預(yù)警保障。

(2)結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變以及溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)將結(jié)構(gòu)溫度統(tǒng)一為20 ℃的方法，減小結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)桿件應(yīng)變變化的影響，從而確定不同位置圈梁應(yīng)力變化的主要影響因素。

(3)基于3σ準(zhǔn)則提出新的數(shù)據(jù)篩選方法來(lái)剔除應(yīng)力監(jiān)測(cè)中的異常數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(4)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定桿件應(yīng)變的變化范圍，與設(shè)計(jì)值相比較，確認(rèn)索網(wǎng)施工過(guò)程中圈梁與格構(gòu)柱均始終處于安全狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比圈梁主肋區(qū)域與索網(wǎng)扇區(qū)中部圈梁的應(yīng)力變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)掛索量的變化對(duì)兩區(qū)域均有影響。當(dāng)施工進(jìn)行到工程量的50%時(shí)，主肋區(qū)域的圈梁應(yīng)力從上升趨勢(shì)變?yōu)橄陆第厔?shì)，此時(shí)應(yīng)力不單純集中在主肋位置，索網(wǎng)扇區(qū)中部圈梁的應(yīng)力隨著索網(wǎng)安裝過(guò)程的進(jìn)行而逐漸增大；掛索量的增加導(dǎo)致格構(gòu)柱的受力增大，整個(gè)索網(wǎng)施工過(guò)程中，格構(gòu)柱受力較為均勻。以上結(jié)果與索網(wǎng)施工過(guò)程的各個(gè)圈梁段及格構(gòu)柱應(yīng)力變化的理論規(guī)律一致，證明光纖光柵傳感器可以完成圈梁格構(gòu)柱的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

本文提出的數(shù)據(jù)處理方法已成功應(yīng)用到FAST工程主動(dòng)反射面系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理中。本文將光纖光柵傳感器應(yīng)用到FAST工程索網(wǎng)安裝階段圈梁及格構(gòu)柱的安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警之中，對(duì)類似大型工程的施工過(guò)程監(jiān)測(cè)具有一定的借鑒意義。

致謝感謝北京建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司對(duì)本文測(cè)點(diǎn)選擇工作的支持，感謝柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司對(duì)本文系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)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]楊君琦.應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳遞理論及傳感特性研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2013.

[4]賈宏志.光纖光柵傳感器的理論和技術(shù)研究[D].西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 2001.

[5]常琦, 袁慎芳, 苗苗,等. 基于布拉格光纖光柵的碳纖維壁板損傷監(jiān)測(cè)研究[J]. 中國(guó)機(jī)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,黃俊,等. 一種光纖光柵非接觸機(jī)械振動(dòng)傳感器的研究[J]. 中國(guó)機(jī)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]唐煒, 史儀凱.Bragg光纖傳感技術(shù)應(yīng)用研[J].光學(xué)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]周麗, 梁大開(kāi), 曾捷, 等. 溫度影響光纖光柵傳感器性能蛻化機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)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]李玉龍，胡永濤.光纖布拉格光柵在焊接監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].光學(xué)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]孫麗. 光纖光柵傳感技術(shù)與工程應(yīng)用研究[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2006.

[11]王雯珍, 劉月明. FBG應(yīng)變傳感器溫度交叉敏感補(bǔ)償技術(shù)研究[J]. 光電技術(shù)應(yīng)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]孫曉, 王啟明, 朱明,等.光纖Bragg光柵應(yīng)變計(jì)在500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 光學(xué)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]陳麗娟, 賀明玲, 王坤. 光纖光柵傳感器交叉敏感問(wèn)題解決方案[J]. 數(shù)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.

(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11173035)

TH823

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

王玉婷，女，1990年生。貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生。主要研究方向?yàn)镕AST工程主動(dòng)反射面健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。王啟明，男，1961年生。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、博士研究生導(dǎo)師。朱明，男，1986年生。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師。何林，男，1965年生。貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。