光纖光柵傳感技術與工程應用研究.pdf

1、本文在研究光纖光柵傳感特性的基礎上，針對大型土木工程結構長期健康監(jiān)測的需要，研制開發(fā)了鋼管封裝的光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器，研究了封裝傳感器的應變和溫度傳感特性及其溫度補償方法，通過全面分析應變傳感器的應變傳播過程，計算光纖光柵應變傳感器的應變響應時間與工作頻率，研究鋼管封裝的光纖光柵傳感器本身應變傳遞率的影響因素和埋入基體材料中的應變傳遞問題，在一系列實驗與實際工程中實現(xiàn)了結構應變、溫度與裂縫監(jiān)測。主要研究內容包括以下方面

2、： 首先，基于光纖光柵的布拉格方程，分析了光纖光柵應變與溫度傳感特性，以及應變與溫度的交叉耦合問題，提出了光纖光柵應變傳感的溫度補償原理和方法，研究表明：光纖光柵在實際結構應變監(jiān)測時必須考慮溫度影響。 其次，針對土木工程結構長期監(jiān)測的需要，自行開發(fā)了金屬管式封裝的光纖光柵應變傳感器和金屬管式封裝的光纖光柵溫度傳感器，并對其傳感特性進行了試驗研究。從力學角度出發(fā)，對實驗室中常用的應用等強度梁的標定方式的誤差進行分析與修正。

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

4、應變傳遞率的影響因素，對埋入基體材料中的光纖光柵應變傳感器的應變傳遞率的幾種計算方法進行了對比。 第五，將自行開發(fā)的光纖光柵應變傳感器與溫度傳感器應用于一系列模型試驗中。分別監(jiān)測了混凝土固化期收縮應變與溫度變化、海底管線模型和海洋平臺模型地震響應過程、三層框架剪力墻結構地震破壞過程中的整體結構變化與裂縫監(jiān)測。研究了光纖光柵傳感器在不同試驗中的布設工藝，在這些實驗中實現(xiàn)了應變與溫度的同時測量，解決了光纖光柵應變傳感器的溫度補償問題

5、，提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。在框架剪力墻結構的破壞實驗中，監(jiān)測到結構從彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)過程中的裂縫的發(fā)生、發(fā)展情況，結構整體在進入極限狀態(tài)時的“關鍵部位”的應變變化情況，以及多次振動作用下鋼筋上的“殘余應變”，還可根據(jù)實際需要，給出框－剪結構在試驗前的“初始應變”。結果顯示，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾能力強和測量靈敏度高的優(yōu)點，能夠檢測到強電磁干擾下的微弱應變信號。 第六，利用自行開發(fā)的光纖光柵溫度傳感器對地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度變