光纤传感应变检测理论、方法及其工程应用研究

摘要

应变是反映工程结构受力或健康状态的重要参数之一，也是对关键基础设施进行灾变预警和科学管理的重要检测内容。在工程上，许多待测参数能够转变为应变量进行检测。目前，传统的应变量检测设备主要以电阻应变片为主，但由于零点漂移，难以实行长期在线测量，难以避免测量现场的电磁干扰，而且无法长期适应潮湿、污染等恶劣的现场环境。
　　光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）应变检测技术是一种新型的检测技术，利用其对应变敏感的特性，将结构应变转换成可测量的光波长信号，具有检测寿命长，检测精度高，不受电磁干扰，抗腐蚀强的优点。其光波长信号避免了零点漂移的问题，可组网络远程检测，具有电阻应变检测技术不可比拟的优点。
　　本文以FBG为主要研究对象，围绕FBG应变检测理论、方法及其应用，按照“应变检测理论-应变传感装置-应变检测系统”的研究主线，综合采用理论分析、数值仿真、实验测试及现场检测等多种方法开展研究。主要研究内容及成果如下：
　　（1）FBG应变传感特性及应变传递规律研究。在阐述FBG应变传感特性的基础上，分析了FBG应变传感装置的表面粘贴、嵌入及悬空粘贴三种封装方式的应变传递规律；仿真分析了其中间层的结构参数及材料参数对平均应变传递效率的影响，并指出了悬空粘贴可使FBG避免应变传递损失；研究了上述三种封装方式的应变增减/敏原理，并指出了夹持式在减小应变传递损失方面更具优势；研究了应变检测中消除温度影响的原理，并指出了双FBG温补法更适合工程应用。
　　（2）FBG应变传感装置的研制。针对结构应变检测需求，考虑到结构设计、材料选择、应变增敏及温度补偿等多个方面的因素，设计了多种应变传感装置。（a）根据理论分析，针对结构表面应变检测，设计了一种环形的FBG应变片，采用悬空固化粘接工艺，具有避免应变传递损失、应变增敏、可调整应变灵敏度系数，及安装方便的优点；（b）针对动态称重需求，设计了双FBG式双孔平行梁弹性元件结构的FBG称重传感器；通过对合金钢40CrNiMo、铝合金LY12两种金属材料弹性元件的重复性实验，发现40CrNiMo的重复性精度约为LY12的4.45倍；（c）针对大刚性结构检测需求，研究设计了具有应变增敏结构的FBG 结构检测传感器，具有应变增敏7倍且可无损式固定的优点；（d）针对位移检测需求，设计了双FBG位移传感器，通过弹簧产生的应变检测位移，所以具有减敏功效。研究上述四种传感器的双FBG温度补偿方法，其温度补偿方法经验证效果良好。
　　（3）FBG应变传感的散状物料流连续计量方法研究。根据课题需求，研究了皮带秤连续计量基本原理，建立了FBG动态应变检测系统的连续计量算法；采用研制的FBG称重传感器替换了传统的电类称重传感器，设计并安装了的动态称重系统；研究了双秤架上的检测信息，采用时延估计测速方法提取皮带机速度信息，去除了皮带测速传感器，实现了现场完全无电的FBG皮带机动态称重，并进行了实测数据仿真及称重精度测试。在中石化称重现场的工程应用情况表明，该系统在条件恶劣的检测现场，长期稳定工作，完成了散状物料流的自动连续计量达3万余吨，现场检测精度达0.5％。将光纤光栅传感技术成功工程化应用于皮带机称重。
　　（4）FBG应变传感的铁路道岔转换阻力动态监测方法研究。通过分析道岔工作原理和结构特点，研制了FBG道岔动作杆应变检测传感器及其无损式安装和检测方法。在武汉地铁1号线汉口北站的工程应用中测得了道岔转换时各种状态的动态阻力曲线。动态阻力曲线显示，西门子S700K道岔转撤机受压换轨时间持续5s，最大压力-5.9kN，平均压力-3.3kN，换轨结束后，维持一个大约-0.6kN的锁闭力；而受拉换轨时间同样约为5s，最大拉力7.8kN，平均拉力5.5kN，锁闭力大约0.2kN。目前国内外未见此种道岔状态监测的方法。
　　（5）高速铁路桥梁无砟轨道状态多参量远程在线监测方法研究。阐明对高铁大跨度桥梁的轨道结构的受力、变形进行长期在线监测的必要性，并根据不同监测需求，制定了监测方法并研制了钢轨应变传感器、钢轨位移传感器、轨道板位移传感器、凸台位移传感器及梁缝位移传感器。以高铁大跨度桥梁的CRTS I型无砟轨道的远程监测为应用实例，测得的3个月的钢轨应力曲线符合日夜和春夏的气候变化而热胀冷缩的特性；18个月的钢轨位移曲线更呈现了年度的周期性位移变化规律，也呈现了FBG长期监测的优越性。本监测工程应用对大跨度桥无砟轨道状态的监测是创新性的工作。
　　本文对丰富光纤传感检测的方法和手段，推动其科研成果转化，更多地实现工程化应用有积极的作用。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容和创新点

第2章 光纤光栅传感应变检测理论分析

2.1 传感原理

2.2 应变传递分析

2.3增敏/减敏原理

2.4 温度补偿方法

2.5 本章小结

第3章 光纤光栅应变传感装置研制

3.1 FBG应变片

3.2 称重传感器

3.3 结构检测传感器

3.4 位移传感器

3.5小结

第4章 光纤光栅传感动态应变检测系统

4.1 动态应变检测系统设计

4.2 FBG皮带机动态称重系统

4.3 道岔状态监测系统

4.4 本章小结

第5章 光纤光栅传感远程应变检测系统

5.1 远程应变检测系统设计

5.2 大跨度连续梁桥梁上无砟轨道状态监测方法

5.3 广深港高铁沙湾水道特大桥无砟轨道无缝线路综合监测

5.4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间科研成果及参与的项目