光纖光柵傳感技術(shù)與工程應(yīng)用研究.pdf

1、本文在研究光纖光柵傳感特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)大型土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的需要，研制開發(fā)了鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器，研究了封裝傳感器的應(yīng)變和溫度傳感特性及其溫度補(bǔ)償方法，通過全面分析應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳播過程，計(jì)算光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間與工作頻率，研究鋼管封裝的光纖光柵傳感器本身應(yīng)變傳遞率的影響因素和埋入基體材料中的應(yīng)變傳遞問題，在一系列實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度與裂縫監(jiān)測(cè)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下方面

2、： 首先，基于光纖光柵的布拉格方程，分析了光纖光柵應(yīng)變與溫度傳感特性，以及應(yīng)變與溫度的交叉耦合問題，提出了光纖光柵應(yīng)變傳感的溫度補(bǔ)償原理和方法，研究表明：光纖光柵在實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)必須考慮溫度影響。 其次，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要，自行開發(fā)了金屬管式封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器和金屬管式封裝的光纖光柵溫度傳感器，并對(duì)其傳感特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。從力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室中常用的應(yīng)用等強(qiáng)度梁的標(biāo)定方式的誤差進(jìn)行分析與修正。

3、詳細(xì)研究了兩種基體材料上鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。 第三，通過對(duì)應(yīng)變傳播過程的全面分析，計(jì)算了光纖光柵應(yīng)變傳感器在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間及粘貼在不同基體材料上的最高工作頻率，計(jì)算結(jié)果表明，自行開發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變響應(yīng)速度很快，工程應(yīng)用中可不考慮光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變響應(yīng)滯后問題，光纖光柵應(yīng)變傳感器的工作頻率滿足低頻振動(dòng)系統(tǒng)中的頻率要求。 第四，采用有限元方法分析了光纖光柵應(yīng)變傳感器本身

4、應(yīng)變傳遞率的影響因素，對(duì)埋入基體材料中的光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳遞率的幾種計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比。 第五，將自行開發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器與溫度傳感器應(yīng)用于一系列模型試驗(yàn)中。分別監(jiān)測(cè)了混凝土固化期收縮應(yīng)變與溫度變化、海底管線模型和海洋平臺(tái)模型地震響應(yīng)過程、三層框架剪力墻結(jié)構(gòu)地震破壞過程中的整體結(jié)構(gòu)變化與裂縫監(jiān)測(cè)。研究了光纖光柵傳感器在不同試驗(yàn)中的布設(shè)工藝，在這些實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變與溫度的同時(shí)測(cè)量，解決了光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償問題

5、，提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)過程中的裂縫的發(fā)生、發(fā)展情況，結(jié)構(gòu)整體在進(jìn)入極限狀態(tài)時(shí)的“關(guān)鍵部位”的應(yīng)變變化情況，以及多次振動(dòng)作用下鋼筋上的“殘余應(yīng)變”，還可根據(jù)實(shí)際需要，給出框－剪結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)前的“初始應(yīng)變”。結(jié)果顯示，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)和測(cè)量靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠檢測(cè)到強(qiáng)電磁干擾下的微弱應(yīng)變信號(hào)。 第六，利用自行開發(fā)的光纖光柵溫度傳感器對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度變