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基于光纤布里渊与光栅的多尺度传感网络技术

路杰  
【摘要】:随着我国大型基础工程设施的不断兴建,对在建工程的施工质量监测和对服役期间结构工程的健康状况诊断的技术要求越来越高。结构健康监测中的一个关键问题就是如何对结构体系中的受力进行有效的监测,识别,定位和标定。布里渊光时域分析技术((Brillouin Optical Time-Domain Analysis, BOTDA)是一种基于受激布里渊背向散射原理的分布式光纤应变传感技术,它突破了传统的点式传感的概念,可实现真正意义上的连续分布式监测,其在温度、应变测量上所能达到的监测精度、传感长度和空间分辨力高于其它传感技术。因此BOTDA已成为国际上先进发达国家竟相研发的大型土木工程健康诊断的高端传感技术。FBG (Fiber Bragg Gating,光纤Bragg光栅)是一种新型的光学元件,由于其本身监测精度较高,技术成熟,已广泛应用于大型结构的监测当中。本文主要围绕BOTDA这一技术,进行了下面一系列研究工作: 首先详细介绍了分布式光纤传感的基本原理及BOTDA的基本原理,对分布式光纤应变和温度传感性能进行了试验研究,分析了布里渊频移与温度/应变的关系,求出普通单模裸光纤的温度、应变灵敏度系数并封装了一种光纤温度传感器。 分布式光纤传感器与传统的传感方法相比具有更多的优点,主要表现为可以同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息;可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量;在理论上可以把被测量作为光纤位置长度的函数,从而得到任意大小的分辨率;可以用一条光纤来取代传统的几百个点阵构成的传感器的阵列,大大降低了监测成本;而FBG监测精度高但监测成本昂贵、测点相对独立,难以把握结构的整体变化规律。可以考虑将两种监测手段联合使用,扬长避短充分发挥各自的优点,把分布式光纤和FBG同时应用于结构当中,在结构关键部位同时布置分布式光纤传感器和FBG,两种监测结果可以互相印证,在结构非关键部位只布置分布式光纤传感器来监测结构的大致变化趋势,实验结果表明两者联合监测效果良好。 本文最后结合大连市振连路项目“开发区段桥梁工程-装配式预应力混凝土箱形连续梁”联合使用分布式BOTDA技术和大尺度FBG进行监测,并采取数值模拟方法对预应力箱形梁进行分析。实验结果表明大尺度FBG应用于大型结构监测仍然有非常良好的测量精度,两者联合使用能更好的对结构进行监测。最后推导了基于分布式应变求解结构挠度的理论公式,实验结果表明该公式能有效的求解结构变形。


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