基于多模干涉技术的光纤声发射技术用于桥梁沉降监测的研究

摘要

桥梁沉降的发生会引起结构损伤，承载力下降，造成一系列严重的灾害事故。因此作为衡量桥梁健康状态的主要参数之一，桥梁沉降是结构监测与分析评估的重点。由于原有监测技术的瓶颈以及桥梁沉降长期实时监测的困难，研究新型桥梁监测技术，突破原有技术的局限性，具有重要的学术与工程价值。
　　本论文首先介绍了目前桥梁沉降监测意义以及现有监测技术，通过对这些技术的原理、性能及优缺点进行分析，总结了现阶段桥梁沉降监测技术的局限性及其难点，为本论文沉降监测技术的研究提供参考。针对现有桥梁沉降监测技术的局限性，本论文首次提出采用基于多模干涉技术的光纤超声波传感系统用于桥梁沉降非接触式监测，并深入研究了光纤传感器的结构设计与优化、传感系统机理、超声波位移传感系统设计与搭建、传感实验和桥梁沉降模拟测试。主要研究内容包括:
　　(1)系统研究分析了超声波的特性、基于超声波的非接触式测距原理。
　　(2)研究了多模干涉光纤传感器及其对超声波探测机理，理论结合实验对传感器进行结构设计与优化，有效提高了光纤传感器对高频超声波的探测灵敏度。实验研究实现了多模干涉光纤传感器对25kHz以上超声波探测。同时，针对外界环境变化引起传感器信号漂移误差，提出双传感器相位参考技术，通过同步测量与解析参考传感器与测量传感器相位差值，有效降低了由于外界干扰引起的测量误差，大幅提高系统稳定性。
　　(3)理论研究基于超声波的光纤非接触式测距系统机理，设计开发了并搭建非接触式位移传感系统，通过多模干涉光纤传感器对位移所引起连续超声波信号的相位变化进行实时探测解析，研究实现了所设计传感系统对3-7米距离内位移变化的非接触式测量，其位移分辨率达0.2mm。
　　(4)实验室搭建桥梁沉降测试实验系统，模拟桥梁实际沉降发展规律，进行了模拟沉降监测试验，实验实现并验证了所设计传感系统对7米范围内微小沉降变化的非接触式探测，其分辨率保持在0.2mm，测量误差7％左右。通过对桥梁沉降监测的模拟研究实验，验证该传感系统可行性及初步的性能指标，为其用于桥梁沉降监测提供了一定的理论依据和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．3 应用前景

1．4 研究内容，可能遇到的问题及解决方法

1．5 本章小结

第二章 现有桥梁沉降监测技术原理、现状与难点

2．1 前言

2．2 现有沉降监测技术原理介绍与分析

2．2．1 全站仪法

2．2．2 水准测量

2．2．3 惯性测量

2．2．4 全球定位系统(GPS)法

2．2．5 雷达干涉测量

2．2．6 激光位移测量法

2．3 桥梁沉降监测难点

2．4 本章小结

第三章 超声波特性、超声波测距原理及其在工程监测中的应用

3．1 超声波介绍

3．1．1 超声波的产生

3．1．2 超声波的物理特性

3．2 超声波检测技术的应用

3．3 超声波测距原理

3．4 超声波测距系统介绍

3．5 本章小结

第四章 光纤传感系统原理、非接触式超声波探测的沉降位移探测原理与系统

4．1 前言

4．2 光纤传感技术现状

4．3 光纤超声波传感系统原理以及结构设计与优化

4．3．1 光纤超声波传感器原理介绍

4．3．2 多模干涉光纤传感器的制作

4．3．3 光纤超声波传感系统

4．3．4 光纤传感器结构设计与优化

4．4 非接触式位移传感原理与传感系统搭建

4．4．1 非接触式位移传感原理与系统介绍

4．4．2 传感系统搭建

4．5 传感系统改进原理、实验与结果分析

4．5．1 基于双传感器相位参考的位移传感方案

4．5．2 位移传感系统探测实验与结果分析

4．6 本章小结

第五章 桥梁沉降探索模拟监测实验

5．1 前言

5．2 桥梁沉降探索性模拟实验

5．2．1 模拟实验方案

5．2．2 实验结果分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 结论

6．3 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢