基于BOTDA分布式光纤传感器的结构健康监测研究

摘要

桥梁、隧道、大坝、城市生命线等重大土木工程结构往往以巨大的网络系统形式存在于物理空间上,并且是由一批复杂多样的工程结构集群组成,工程结构彼此之间在运营功能、结构安全上具有很强的关联性。其复杂多变的服役环境、较高的工程建设维护成本、损伤位置的随机发生、显著的时变效应等特点,使得重大工程结构的健康监测越来越吸引科研人员的注意。寻找满足工程需要的高精度、高分辨率、稳定性好的分布式监测传感器一直是提高结构健康监测效率的重要方法。布里渊光纤传感器(布里渊光时域分析技术,BrillouinOpitcalTimeDomainAnalysis,简称BOTDA)作为可以同时感知应变和温度的分布式监测手段在这方面有着天然的优势。
　　本文围绕分布式布里渊光纤的应变与温度感知特性、监测信号影响因素、结构裂缝监测和光纤传感网络布设等问题展开较为系统的研究。主要研究工作和内容包括:
　　首先,在介绍布里渊光纤传感测试系统构建和解调原理的前提下,通过试验探讨粘贴式布里渊光纤的应变传递效率、均匀变化段的信号取值方法,讨论布里渊光纤温度应变的相互耦合关系和温度补偿方式。
　　其次,通过大量对比试验,归纳总结BOTDA监测信号的影响因素,主要研究了空间分辨率、空间采样间距、采样平均次数等对其使用的影响。同时通过几何分析探讨了布里渊光纤传感器对裂缝(含裂缝宽度、裂缝长度、裂缝走向)的监测方法。另外,关于光纤在其附着基底上的布设缠绕方式对光纤监测灵敏度的影响也进行了理论上的分析。
　　最后介绍了布里渊光纤在模型试验中的应用。把白色紧包光纤粘贴在简支梁的受拉受压钢筋表面验证其在复杂的混凝土环境下能够正常、有效地感受混凝土梁的拉压应变,并通过在混凝土梁侧面布置的光纤传感网络进行随机裂缝发生的定位和评估以及发展走向的识别。此外,在模拟爆炸冲击荷载作用下的混凝土隧道模型中预埋FRP包裹的布里渊光纤和光纤光栅串,并成功监测到重锤从不同的高度撞击作用下隧道结构模型特殊位置的残余应变和损伤累积,试验证明了用FRP封装的布里渊光纤智能筋能够有效地监测到结构的变形,且安装灵活,存活率高,适用于土木工程结构的施工环境和结构监测。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 布里渊光纤传感技术在土木工程领域的研究与发展现状

1.3 本文的构思和研究内容

第2章 布里渊光纤传感特性

2.1 引言

2.2 布里渊传感基本原理

2.3 布里渊光纤的应变和温度耦合作用分析

2.4 布里渊光纤应变感知性能试验探究

2.5 布里渊光纤分布式温度感知试验探究

2.6 本章小结

第3章 布里渊光纤传感器信号影响因素研究

3.1 引言

3.2 布里渊光纤传感器参数性能研究

3.3 裂缝对布里渊光纤信号的影响

3.4 布里渊光纤传感器应变监测灵敏度和量程研究

3.5 本章小结

第4章 布里渊光纤技术在结构监测中的应用研究

4.1 引言

4.2 基于布里渊光纤传感技术的钢筋混凝土梁损伤监测试验

4.3 基于布里渊光纤传感技术的隧道冲击损伤监测试验

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢