分布式光纤传感技术在土木工程结构监测中的应用研究

摘要

本文在综述了国内外关于FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA以及DTS等分布式光纤传感技术的研究和应用发展现状之后，基于东南大学土木工程学院新近添置的、目前在国内外最为先进的、高空间分辨率的PPP-BOTDA，对分布式布里渊光纤传感在土木工程结构监测中的应用进行了较为深入的研究，主要研究内容和成果如下： 1、提出了以单位脉冲宽度内散射光均匀放大且线性叠加的方法，来模拟放大后的受激布里渊散射谱，经与BOTDA实测结果对比，证明该方法是可行的。利用该模拟方法分析和研究了空间分辨率、空间定位精度以及信号梯度对布里渊频率测量值的影响，得出布里渊频率测量精度随空间分辨率的提高而提高、随信号梯度提高而降低的结论，并提出了以空间分辨率与信号梯度的乘积作为布里渊频率测量精度的指标。 2、在对布里渊频率测量过程以及测量误差分析的基础上，通过对光纤传感原理的分析，首次提出了以提高光纤折射率来综合提高空间分辨率、增益系数和测量精度等的方法，分析结果表明该方法具有显著的优越性。 3、采用单根光纤拉伸的方法对常用光纤的力学性能参数进行试验研究，并从可靠度设计的角度，给出了试验光纤抗拉强度等参数的标准值和设计值。同时通过高低温试验，对光纤在-60℃～80℃下的材料性能和光学性能进行了研究，验证了光纤在土木工程环境中应用的可行性。结合光纤的拉伸试验和温度试验，通过B0TDA测量各级荷载和温度条件下光纤的布里渊频率，给出了常用类型光纤在0～5×10<'4>με范围内拉应变的布里渊频移系数和-60℃～80℃范围内的温度布里渊频移系数。 4、对光纤布设工艺的主要内容和关键参数进行了总结，分析了各工艺环节和工艺参数对监测系统性能的影响，指出了粘结材料是布设工艺的关键。并通过光纤的架设、粘结剂的涂覆、布设后试件的拉伸等试验，对布设效率、光纤成活率以及布设后的粘结性能、抗冲击性能和耐久性等进行较为全面的研究，给出了两种性能较好的粘结材料。同时，针对工程应用中光纤意外断裂的问题，提出了通过对粘结材料固化后的局部抗压性能试验，来判断其抗冲击能力的方法，在钢筋混凝土试件的浇注和光纤传感试验中，进一步验证了固化后的粘结材料抵抗混凝土浇注中骨料倾倒、振捣等冲击荷载的能力。 5、通过对光纤应变传递过程的分析，研究了粘结层刚度、厚度等对光纤测量精度的影响，结合变厚度粘结层下光纤传感试件的拉伸试验结果，给出了结论：分布式光纤的应变测量误差是随粘结层刚度的下降、厚度的增加而增大的，并且相应的误差区间也增大。 6、根据应变传递分析结果和光纤传感试件的温度试验，得出了结构因温度变化而产生的光纤布里渊频移包括两个部分，即温度调制光纤弹性模量导致布里渊频移部分和结构温度膨胀导致光纤拉伸应变产生的布里渊频移部分的结论，并提出了采用不同温度膨胀系数材料来进行分布式温度补偿和分布式应变、温度同时测量的方法。通过轴向拉、压试验、三等分集中加载的简支钢梁试验以及圆管径向均布受压试验中的分布式应变监测，进一步对分布式光纤传感的应变监测精度进行了分析，结果表明PPP-BOTDA能够较为完整、准确地测量结构的应变，与传统点式应变传感相比具有数据量多、分布面广、能适用于复杂结构表面等优点。 7、基于材料的应变达到或超过了极限拉应变就产生裂缝的原理，首次提出了利用BOTDA，根据监测到的拉应变峰值的大小和应变分布情况的变化来识别初始裂缝的方法。根据开裂后裂缝处光纤应变增大这一规律，还提出了利用裂缝处应变峰值的变化来识别裂缝宽度的方法。通过裂缝的模拟加载试验，成功识别了宽度为0.1mm的初始裂缝；通过对试验结果的回归分析，给出了裂缝宽度在0.01mm～1mm间的裂缝宽度与裂缝处光纤应变之间的拟合线性系数。通过钢筋混凝土框架柱的低周反复水平荷载试验，还对裂缝识别的重复性进行了研究，成功地识别出了柱子表面多条裂缝下的工况，并对裂缝的分布范围也进行了较好的判断。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

1.2光纤传感技术在土木工程中的应用现状

1.2.1 Bragg光栅技术

1.2.2基于Rayleigh散射的光纤传感技术

1.2.3基于Brillouin散射的光纤传感技术

1.2.4基于Raman散射的光纤传感技术

1.3本文的主要研究内容

参考文献

第二章分布式光纤传感的原理和理论研究

2.1光纤布里渊散射

2.1.1自发布里渊散射

2.1.2受激布里渊散射(SBS)

2.1.3布里渊谱

2.2布里渊散射的测量

2.2.1散射位置的测量

2.2.2散射频谱的测量

2.2.3频谱的分布式测量

2.3分布式测量的精度分析

2.3.1空间分辨率

2.3.2空间定位精度

2.3.3散射频谱的数值模拟

2.3.4信号梯度的影响

2.4光纤传感的原理

2.4.1光纤的应变传感原理

2.4.2光纤的温度传感原理

2.4.3灵敏度系数分析

2.5小结

参考文献

第三章传感光纤的性能分析和试验研究

3.1单模光纤的材料性能

3.1.1光纤的结构组成

3.1.2涂覆层、外套层的性能参数

3.1.3裸纤力学性能参数

3.1.4紧套纤力学性能参数

3.2光纤力学性能试验的统计分析

3.2.1拉伸强度统计分析

3.2.2延伸率的统计分析

3.2.3最小曲率半径分析

3.2.4成活率的可靠度分析

3.3单模光纤光学性能的试验分析

3.3.1受激布里渊散射增益

3.3.2应变与布里渊频移的关系

3.3.3温度与布里渊频移的关系

3.4小结

参考文献

第四章光纤布设工艺的分析和试验研究

4.1布设工艺的内容

4.1.1粘贴材料的选择

4.1.2布设工具

4.1.3防护措施

4.1.4布设方式

4.2布设过程的试验研究

4.2.1布设前的试件处理

4.2.2布设中光纤的架设处理

4.2.3粘结剂的涂覆试验研究

4.3布设后粘结性能的试验研究

4.3.1粘结性能分析

4.3.2耐久性分析

4.3.3抗疲劳能力

4.3.4抗冲击能力

4.4小结

参考文献

第五章光纤传感在结构应变监测中的应用研究

5.1结构应变的传递

5.1.1光纤的应变传递

5.1.2应变传递性能试验

5.2应变的温度补偿

5.2.1温度补偿方式

5.2.2光纤的温度效应分析

5.2.3结构的约束效应

5.2.4温度补偿的误差分析

5.3应变监测的精度分析

5.3.1布里渊频率的误差分析

5.3.2结构应变的精度分析

5.4应变监测的试验研究

5.4.1基本构件的试验研究

5.4.2受弯构件应变监测试验研究

5.4.3曲面应变监测的应用研究

5.5小结

参考文献

第六章光纤传感在裂缝监测中的应用研究

6.1裂缝与光纤应变的关系

6.1.1结构裂缝的形式

6.1.2裂缝处光纤的应变分析

6.1.3光纤应变测量值的分析

6.2裂缝监测的试验研究

6.2.1裂缝的模拟加载

6.2.2空间分辨率的影响分析

6.2.3试验结果分析

6.3钢筋混凝土裂缝监测的应用研究

6.3.1试件选择及设置

6.3.2试验结果及分析

6.3.3试验结论

6.4沥青混凝土路面监测的应用研究

6.4.1试验概况

6.4.2温度监测

6.4.3变形和裂缝监测

6.5小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

作者在攻读博士期间发表的论文

致谢