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《天津大学》 2007年
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光纤光栅在工程结构检测中的应用与实验研究

吕辰刚  
【摘要】: 光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐水、耐腐蚀、灵敏度高,可分布式传感等优点,随着信号解调和处理的发展,其在民用工程、航天航空、电力、石油化工和医疗等领域的应用越来越广泛。高精度的数字化光纤光栅传感信号解调系统结构灵巧、应用方便,在民用工程特别是桥梁的健康结构检测方面有着非常广泛的实用前景,也是近年来光纤光栅传感技术的研究热点。光纤光栅传感器网络的分布以及大量信号的综合分析和处理,对建立光纤光栅智能结构有非常重要的意义。结合神经网络技术对传感网络信号进行数据融合处理,是国内外最新的研究方向。神经网络技术的引入,将极大地支持光纤光栅智能结构及其系统的发展,使其尽快向系统化,实用化方向迈进。 本文的主要创新点可以归纳如下: 1、设计了一套数字化光纤光栅传感反射谱信号全波扫描的方案,并开发出系统设备。针对光纤光栅反射谱信号传输、采集过程中的噪声分析,引入了匹配数字滤波法与零相位数字滤波法,对两种方法进行了算法分析并用Labview软件进行了系统模拟。在实验室应用悬臂梁结构进行应变测试,对比相同条件下两种数字滤波方法。系统精度可以达到1με,整体架构优于同类的实用化传感系统。 2、提出了结合神经网络对光纤光栅传感阵列信号进行数据融合处理的方法,并进行了理论分析和实验模拟。制作混凝土简支梁试件,设计光纤光栅阵列载荷实验,测量范围110KN。用Matlab软件建立神经网络的拓扑结构,对光纤光栅传感信号采样值进行分析。经过神经网络数据融合处理后输出载荷值与实际期望值比较相对误差在3%以下,均方误差小于1KN。 3、在桥梁建设过程中将光纤光栅传感网络首次布置于根键式桥墩结构中进行健康结构检测。应用自平衡法对实验用桥墩进行破坏性研究,测试光纤光栅传感网络的实用性,并将神经网络技术应用于实际的光纤光栅传感网络工程中。通过对合淮阜大桥的根键式桥墩应力点分布的有限元分析,我们确定光纤光栅传感网络布置的拓扑结构。利用自平衡法对实验用桥墩进行24小时加载,并记录光纤光栅反射谱数据。通过加载实验结果,结合神经网络技术,提出了对桥墩载荷分区监测的概念,判断合理的安全使用范围,相对误差小于5%。 4、创新性地引入神经网络数据融合算法对光纤光栅传感器的温度补偿作尝试性的研究。调节悬臂梁结构获得的应变信号作为神经网络的目标量信息输入,调节温度循环箱模拟测试环境的温度变化作为神经网络的非目标量信息输入。温度循环分为三个档次,中心温度分别为T=5oC ,25oC ,45oC ,每个温度档次有±5oC的波动。传感信号经过神经网络数据融合算法的温度补偿后,其均方误差都小于5με,识别率是温度补偿前的10-20倍。研究表明,神经网络算法适用于光纤光栅应变传感器的温度补偿,为今后的包含温度信息的多传感器数据融合研究提供了依据。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212.9

【引证文献】
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