光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)以其优良的传感性能和特点,在桥梁健康监测领域得到了越来越广泛的应用。作为一种新的传感技术,尽管很早就展开了研究,但在实际工程应用水平上,与传统的电磁类传感技术相比,还存在一定的差距。本文针对光纤光栅传感技术的不完善之处,在新型低频加速度传感器研制和传感系统集成的设计和实现方面做了一些研究工作。主要内容包括:
　　 (1)探讨了光纤光栅传感器在实际使用中应变测试时温度补偿、光纤光栅传感器寿命预测、传感系统复用方式等几个问题。
　　 (2)对光纤光栅传感技术进行了不同层面的性能实验。对光纤光栅应变传感器进行了抗电磁干扰、抗零飘、可重复性等基本性能实验,表明光纤光栅传感器有较好的抗电磁干扰、抗零飘、重复性等性能,与传统的电阻应变片相比,性能更稳定、更可靠、更精确；在混凝土模型拟静力实验中,使用了不同类型的光纤光栅传感器,验证了光纤光栅传感器的可靠性和可行性；实桥实验表明光纤光栅传感技术可以用于结构的短、长期健康监测。
　　 (3)研究开发了一种可放大振动信号、工作频带宽的FBG低频加速度传感器。改善了以往用悬臂梁作为弹性元件,栅区直接粘贴在悬臂梁表面带来的啁啾或多峰现象,并且通过增加阻尼,拓宽了传感器的工作频带,并对提出的加速度传感器进行了优化设计。实验结果表明,所设计的光纤光栅振动传感器线性度好,抗横向干扰能力强,灵敏度达到90pm/ms-2,上限工作频率可取到传感器无阻尼固有频率的80％左右,根据土木工程实际应用,还可以进一步调整传感器的设计参数,从而改善其性能；与传统传感器进行了对比实验证明,设计的新型加速度传感器性能良好。
　　 (4)对增敏光纤光栅应变传感器进行了静、动态性能试验,验证了其性能。
　　 (5)设计并实现了以光纤光栅温度传感器、光纤光栅增敏应变传感器和自行研制的加速度传感器组成的桥梁健康监测集成系统；通过对实验模型完好、损伤状态下的测试实验,验证了建构的光纤光栅监测系统集成的有效性,实现了多参数测试,为独立应用光纤光栅传感技术建立桥梁健康监测实测系统奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 桥梁健康监测的意义

1.1.2 光纤传感系统的特点

1.2 结构健康监测中的光纤光栅传感技术现状

1.2.1 光纤传感技术分类

1.2.2 光纤光栅传感技术

1.2.3 FBG解调方式

1.2.4 FBG传感器

1.2.5 FBG传感技术的应用现状

1.2.6 存在的问题

1.3 本文的主要研究内容及构成

第2章 FBG传感原理及若干问题探讨

2.1 引言

2.2 FBG传感原理和特性

2.3 FBG传感技术若干问题探讨

2.3.1 温度补偿

2.3.2 FBG传感器寿命预测

2.3.3 FBG传感系统复用方式

2.3.4 FBG传感监测系统

2.4 小结

第3章 FBG传感器性能试验

3.1 引言

3.2 FBG应变传感器基本性能实验

3.3 FBG传感器的混凝土模型测试性能实验

3.4 FBG传感系统的实桥监测性能实验

3.4.1 施工阶段静态监测

3.4.2 荷载试验动态监测

3.5 小结

第4章 土木工程用FBG加速度传感器的研制

4.1 引言

4.2 加速度传感器的原理

4.2.1 加速度传感器的力学模型

4.2.2 加速度传感器无失真条件

4.3 新型FBG加速度传感器设计

4.3.1 新型加速度传感器设计

4.3.2 参数优化

4.3.3 性能分析

4.4 新型加速度传感器性能试验

4.4.1 灵敏度和线性度试验

4.4.2 幅频性能试验

4.4.3 新型FBG加速度传感器对比试验

4.5 小结

第5章 基于多参数光纤光栅传感技术的系统集成模型试验研究

5.1 引言

5.2 增敏FBG应变传感器

5.2.1 静态性能试验

5.2.2 动态性能试验

5.3 FBG动态监测系统

5.4 集成系统模型试验

5.4.1 试验原理

5.4.2 试验模型

5.4.3 集成系统损伤识别试验

5.5 小结

第6章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及专利

致谢