光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用

摘要

结构健康监测可以准确可靠的评估所监测结构完整性，减少维护费用，增加工作寿命，提高安全度。在土木结构健康监测领域，光纤传感器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，光纤传感器具有体积小，重量轻，可埋入结构，可复用以及无电磁干扰等优点。在各种光纤传感器中，光纤光栅传感器可适用于恶劣环境下的长期监测应用中，成为最具发展前景的电类传感器替代品。 本论文介绍了自行研制的各种光纤光栅传感器并对其传感特性进行了研究，将光纤光栅传感器应用于模拟地震激励下的模型动力特性监测，介绍了光纤光栅在结构健康监测中的应用。本论文的结构如下： 第一章为绪论。介绍了光纤传感技术，光纤健康监测研究和应用现状以及光纤光栅传感技术的发展现状。本章阐述了光纤光栅的传感原理，介绍了不同类型的光纤光栅，并详细讲述了光纤光栅的重要参数；本章还介绍了测量各种物理量的光纤光栅传感器，分别为应变、温度、位移、压力、加速度以及剪力。本章介绍了本论文的研究内容。 第二章主要内容是自行研制的光纤光栅应变、温度以及位移传感器的设计以及传感特性研究。本章介绍了两种不同封装形式的光纤光栅应变传感器，分别为毛细钢管封装以及两端夹持式封装。本论文对光纤光栅应变传感器的应变特性进行了详细研究分析，并提出了一种光纤光栅应变增减敏传感器的封装工艺。本章还介绍了自行研制的金属管式增敏及无增敏型光纤光栅温度传感器，对传感器进行了温度系数标定试验，考察了传感器封装技术的重复可靠性。此外，本章还介绍了光纤光栅间接测量物理量传感器，自行开发了光纤光栅拉杆式位移传感器和光纤光栅微位移传感器，用以大位移量程和微位移的测量。 第三章介绍了自行开发的光纤光栅与电类传感器同步测量系统。该系统软件基于LabView编程环境，利用NI PXI-1044仪器，将电信号测量模块嵌入了Si425光纤光栅解调程序中，同时采样及存储，从而实现了真正意义上的同步测量。这种同步测量系统在大厦模型试验中得到了应用。通过系列试验考察了这种同步测量系统的可靠性和工作稳定性，同时也验证了所开发的短标距光纤光栅应变传感器的工作性能。 第四章主要内容是光纤光栅传感器在模拟地震激励下的模型动力特性监测的应用。介绍了海底管线地震反应特性试验、仿真碾压混凝土大坝分段模型地震模拟试验以及拱坝整体模型地震破坏试验。试验结果表明，光纤光栅传感器所监测到的应变与传统电阻应变片测量结果以及理论计算结果一致。试验结果证明光纤光栅具有体积小、精度高、方便安装的优点，具有很好的发展前景。 第五章介绍了光纤光栅传感器作为核心传感元件的实际工程应用。首先介绍了应用于地源热泵系统地下温度测量的光纤光栅分布式温度监测系统。该温度监测系统的目的是测量地下深井沿管方向的温度长期变化趋势，并考察光纤光栅温度传感器的长期测量的可靠性。在海洋石油平台应用项目中，在单立柱平台底部安装了光纤光栅应变及温度传感器，用于平台的结构健康监测。传感器成功监测到了海浪及船冲击对平台的外荷载作用。监测结果表明，光纤光栅具有在恶劣环境下长期稳定工作的能力，能够应用于海洋石油平台结构的长期实时健康监测。本章介绍了自行开发的基于光纤光栅传感技术的海洋石油平台整体荷载实时监测系统。 第六章还介绍了光纤光栅在医学工程的应用，利用光纤光栅微位移传感器监测了足跟腱和膝韧带的变形状况，获得了令人鼓舞的成果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1性能优越的光纤传感器

1.2光纤健康监测研究和应用现状

1.3光纤光栅传感技术的发展现状

1.4光纤光栅传感原理

1.4.1光纤基本结构与传输原理

1.4.2光纤光栅传感基本原理

1.5光纤光栅的种类

1.6光纤光栅传感器阵列的指标

1.7各种光纤光栅传感器介绍

1.7.1应变

1.7.2温度

1.7.3位移

1.7.4压力

1.7.5加速度

1.7.6剪力

1.8本文主要研究内容

2光纤光栅传感器的研制与开发

2.1引言

2.2光纤光栅应变传感器

2.2.1金属管式封装光纤光栅应变传感器

2.2.2夹持式封装光纤光栅应变传感器

2.2.3光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法

2.3金属管式光纤光栅温度传感器

2.3.1传感器结构

2.3.2传感器性能实验

2.4光纤光栅位移传感器

2.4.1拉杆式位移传感器

2.4.2微位移传感器

2.5小结

3光纤光栅及电类传感器同步测量系统

3.1软件和硬件平台介绍

3.1.1 LabView编程平台介绍

3.1.2 NI PXI-1044与SCXI-1314介绍

3.1.3 Si425光纤光栅传感解调仪

3.2同步测量系统及软件流程图

3.3光纤光栅及电类传感器同步测量系统在大厦模型地震模拟试验的应用

3.3.1试验设计与准备

3.3.2传感器及采集系统

3.3.3试验结果与分析

3.4小结

4应用光纤光栅传感器的模型试验

4.1管式封装的光纤光栅传感器在海底管线模型地震实验中的应用

4.1.1模型设计及激励系统

4.1.2传感器布置及数据采集系统

4.1.3试验结果

4.1.4小结

4.2碾压仿真混凝土大坝分段模型实验

4.2.1模型设计及激励系统

4.2.2传感器布设方法

4.2.3试验过程

4.2.4随机波激励下光纤光栅传感器监测到的应变响应

4.2.5健康状况评价

4.2.6小结

4.3短标距光纤光栅应变传感器在拱坝整体模型试验中的应用

4.3.1试验设计与准备

4.3.2试验结果与分析

4.3.3小结

5光纤光栅传感器在工程中的应用

5.1光纤光栅温度传感器在地源热泵系统中的应用

5.1.1温度监测系统

5.1.2监测结果分析

5.1.3 小结

5.2单立柱海洋石油平台健康监测光纤光栅传感器应用实例

5.2.1项目背景

5.2.2传感器布置图及安装流程

5.2.3单立柱海洋石油平台的健康检测

5.2.4小结

5.3在南堡油田石油平台健康监测应用

5.3.1项目概况

5.3.2监测内容及原理

5.3.3计算分析及监测点选择

5.3.4传感器以及仪器安装调试

5.3.5数据采集软件与监测流程

5.3.6监测系统标定

5.3.7 工作日报

5.3.8数据分析--荷载监测

5.3.9小结

6光纤光栅传感器在医学工程中的应用

6.1引言

6.2足跟腱变形测试实验

6.3韧带的变形监测

6.4小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢