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光纤光栅传感技术与工程应用研究

孙丽  
【摘要】:本文在研究光纤光栅传感特性的基础上,针对大型土木工程结构长期健康监测的需要,研制开发了钢管封装的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器,研究了封装传感器的应变和温度传感特性及其温度补偿方法,通过全面分析应变传感器的应变传播过程,计算光纤光栅应变传感器的应变响应时间与工作频率,研究钢管封装的光纤光栅传感器本身应变传递率的影响因素和埋入基体材料中的应变传递问题,在一系列实验与实际工程中实现了结构应变、温度与裂缝监测。主要研究内容包括以下方面: 首先,基于光纤光栅的布拉格方程,分析了光纤光栅应变与温度传感特性,以及应变与温度的交叉耦合问题,提出了光纤光栅应变传感的温度补偿原理和方法,研究表明:光纤光栅在实际结构应变监测时必须考虑温度影响。 其次,针对土木工程结构长期监测的需要,自行开发了金属管式封装的光纤光栅应变传感器和金属管式封装的光纤光栅温度传感器,并对其传感特性进行了试验研究。从力学角度出发,对实验室中常用的应用等强度梁的标定方式的误差进行分析与修正。详细研究了两种基体材料上钢管封装的光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数。 第三,通过对应变传播过程的全面分析,计算了光纤光栅应变传感器在动态工作状态下的应变响应时间及粘贴在不同基体材料上的最高工作频率,计算结果表明,自行开发的光纤光栅应变传感器应变响应速度很快,工程应用中可不考虑光纤光栅应变传感器的应变响应滞后问题,光纤光栅应变传感器的工作频率满足低频振动系统中的频率要求。 第四,采用有限元方法分析了光纤光栅应变传感器本身应变传递率的影响因素,对埋入基体材料中的光纤光栅应变传感器的应变传递率的几种计算方法进行了对比。 第五,将自行开发的光纤光栅应变传感器与温度传感器应用于一系列模型试验中。分别监测了混凝土固化期收缩应变与温度变化、海底管线模型和海洋平台模型地震响应过程、三层框架剪力墙结构地震破坏过程中的整体结构变化与裂缝监测。研究了光纤光栅传感器在不同试验中的布设工艺,在这些实验中实现了应变与温度的同时测量,解决了光纤光栅应变传感器的温度补偿问题,提供的监测数据可靠。在框架剪力墙结构的破坏实验中,监测到结构从弹性状态到塑性状态过程中的裂缝的发生、发展情况,结构整体在进入极限状态时的“关键部位”的应变变化情况,以及多次振动作用下钢筋上的“残余应变”,还可根据实际需要,给出框—剪结构在试验前的“初始应变”。结果显示,光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强和测量灵敏度高的优点,能够检测到强电磁干扰下的微弱应变信号。


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