土木工程及模型试验中的光纤光栅传感技术研究

摘要

对重大工程结构的结构性能进行实时地监测和诊断，及时地发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。结构健康监测系统可以实时采集反应结构服役状况的相关数据，采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度，及时有效地评估结构的安全性，预测结构的性能变化并对突发事件进行预警，是近年来国际学术研究的热点问题之一。在结构健康监测系统中，作为其基础的传感器系统是整个系统的关键组成部分，传感器系统的好坏直接关系整个监测系统的准确性和可靠性。在土木结构健康监测领域，光纤光栅传感器已成为应用前景最好的核心传感元件之一。相对传统传感器而言，光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、可埋入结构、可重复使用、无电磁干扰等优点。本文介绍了自行研制的各种光纤光栅传感器和其传感特性以及光纤光栅传感器在各种土木工程模型试验与实际工程中的应用。主要研究内容及结果如下：
　　 第一章为绪论。介绍了结构健康监测的概念、意义及系统组成。重点介绍了在作为整个系统的基础--传感器系统中，光纤光栅传感器所具备的优势及其发展现状，介绍了用于测量各种物理量的光纤光栅传感器，并引出本文的研究方向及内容。
　　 第二章主要描述了光纤光栅冰力、应变和温度传感器的设计以及传感特性研究。介绍了根据裸光纤光栅对于应变的灵敏度系数远远高于压力的灵敏度系数的特点设计的，可直接测量冰力的光纤光栅冰力传感器，并对该传感器的温度补偿和偏心受压影响第消除提出了相应的改进方案。针对模型试验提出一种微型光纤光栅应变传感器，对传感器进行标定试验和疲劳试验，考察了传感器的工作性能和在长期循环荷载作用下的工作稳定性和可靠性。对现有的光纤光栅温度传感器的封装工艺进行了改进，用于降低传感器的封装难度及封装过程对裸光纤光栅的损坏率，并对其进行温度、应变标定对比试验，得到该种传感器的应变灵敏度系数。
　　 第三章主要内容是光纤光栅传感器冰力传感器和微型光纤光栅应变传感器在模型试验中的应用。在冰激桥墩振动模型试验中，光纤光栅冰力传感器成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力，试验证明这种光纤光栅传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响小，可直接测量冰的撞击力，适合于模型试验中的冰力监测。在大坝模型试验中，微型光纤光栅应变传感器成功监测了大坝模型内部的变形、坝体内部的裂缝发展以及布设钢筋对大坝的影响情况等。试验证明，该传感器埋入结构中能很好地与大坝结合，可以较早的监测到模型内部的开裂情况，且存活率高、安装灵活可重复使用，适用于大坝模型试验的内部变形监测。
　　 第四章介绍了光纤光栅传感器在实际工程中的应用。详细描述了利用虚拟仪器技术和LabView软件平台开发一套可针对光纤光栅传感器系统的远程结构健康监测系统，以及该系统在科技园创新大厦的应用情况。另外对由光纤光栅传感器组成的大连新30万吨原油码头主引桥的监测系统进行了详细介绍，给出了传感器的布设方案、施工工艺以及监测计划。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 结构健康监测的重要意义

1.2 结构健康监测的系统组成

1.3 光纤光栅传感器的优点

1.4 光纤光栅传感器的发展现状

1.1.1 光纤光栅应变传感器

1.1.2 光纤光栅温度传感器

1.1.1 光纤光栅压力传感器

1.5 光纤光栅传感器在土木工程中的应用

1.6 本文的主要研究内容

2 光纤光栅传感器的研制

2.1 引言

2.2 光纤光栅冰力传感器

2.2.1 传感器的设计原理

2.2.2 传感器的结构

2.2.3 传感器性能试验

2.2.4 传感器的改进

2.3 微型光纤光栅应变传感器

2.3.1 微型光纤光栅应变传感器的工作原理

2.3.2 传感器标定试验及结果

2.3.3 传感器疲劳试验及结果

2.4 光纤光栅温度传感器

2.4.1 传感器结构

2.4.2 传感器性能试验

2.5 小结

3 应用光纤光栅传感器的模型试验

3.1 光纤光栅传感器在流冰与桥墩激励模型试验中的应用

3.1.1 模型的设计及准备

3.1.2 传感器的布设与采集系统

3.1.3 试验结果与分析

3.1.4 结论

3.2 微型光纤光栅应变传感器应用于大坝模型试验

3.2.1 试验设计与准备

3.2.2 传感器布置及数据采集系统

3.2.3 试验结果与分析

3.2.4 结论

4 光纤光栅传感监测系统及工程应用

4.1 远程结构健康监测与实时分析系统及工程案例

4.1.1 远程监测控制系统开发的必要性

4.1.2 编程环境简介

4.1.3 系统的开发与系统功能介绍

4.1.4 创新园大厦远程监测案例

4.1.5 采集数据分析

4.2 鲇鱼湾新30万吨原油码头主引桥监测

4.2.1 项目背景

4.2.2 光纤光栅应力传感器的布设

4.2.3 施工工艺说明

4.3 小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢