孙丽[1]2006年在《光纤光栅传感技术与工程应用研究》文中研究说明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。 第叁,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、叁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。
周广东[2]2007年在《光纤光栅传感器应变传递理论研究》文中研究指明光纤光栅传感器作为一种新型的性能优越的传感器，在结构健康监测中发挥着日益重要的作用。由于光纤光栅自身的缺陷，需要在结构和光纤之间设置保护层对光纤光栅进行保护。光纤光栅应变传感器在应用过程中，由于保护层的存在使结构的实际应变和传感器的测量应变不一致。本文针对实际工程的需要和目前理论研究中存在的问题，主要以光纤布拉格光栅传感器为研究对象，对其埋入结构后，结构真实应变和传感器的测量应变之间的传递关系及其影响因素进行了系统的理论分析和实验研究，得出了一系列有用的结论，本文的研究内容主要包括：(1)在已有的光纤光栅传感器应变传递理论的基础上，通过仔细分析得出影响光纤光栅传感器应变传递的主要因素，并对每个因素的影响情况进行了具体分析，得出了一系列有用的结论，为光纤光栅传感器制作时选取材料类型和材料尺寸提供有益参考。(2)利用剪滞理论(shear-lag theory)的基本思想，推导出非轴向力作用下光纤光栅传感器的测量应变和结构真实应变之间的关系，得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率。并将光纤光栅应变传感器粘贴于钢板进行实验验证，理论结果与实验结果完全吻合，证明了推导的正确性。同时分析了光纤光栅传感器埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结论扩大了光纤光栅传感器应变传递理论的应用范围，给光纤光栅传感器的实际应用奠定了理论基础。(3)当基体结构的弹性模量较低时，结构和光纤光栅应变传感器之间的应变传递受基体结构弹性模量的影响较大。引入基体弹性模量，对基体结构和光纤光栅传感器之间的应变传递关系进行了重新推导，将应变传递理论延伸到低弹性模量基体结构中，使光纤光栅传感器应变传递理论适用于各种弹性模量基体结构的应变测量。同时得出了此种应变传递关系下影响应变传递的各种因素，并对它们的影响情况进行了仔细分析。研究结果为光纤光栅传感器在各个领域中的广泛应用打下理论基础。
符晶华[3]2006年在《光纤光栅智能材料、结构的研究与应用》文中研究指明智能材料是一个具有感知、驱动和控制等功能的智能化的材料系统。智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向，成为了科学界研究的热点。结构健康监测是土木界亟待解决的重大理论与现实问题，结构健康监测的实现对于保障重大土木工程如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站以及输油、供水、供气等管网系统等的结构安全具有重大的现实意义。智能材料应用于结构健康监测的研究，是21世纪具有挑战性的课题。利用智能材料与结构技术解决重大土木工程结构在整个服役期内的健康监测和安全评估问题，是一个全球性的研究热点，具有重大的经济价值和社会意义。光纤光栅智能材料是近年发展起来的先进传感材料，它有效克服了当前常规传感系统在长期稳定性、耐久性和分布范围方面存在的不足，最有希望满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，具有传统技术无法比拟的优势。研究开发在长期稳定性能上满足工程要求的新型光纤光栅智能材料是从根本上实现结构健康监测的核心工作之一。本论文在国家自然科学基金、国家863计划和湖北省重点攻关项目的支持下，在导师的悉心指导下，从光纤光栅智能材料的传感机理出发，研究了大型土木工程结构健康监测系统的构成、功能、监测内容、手段及实现，在试验的基础上研制了光纤光栅锚索测力传感器，并将之成功应用于武汉晴川大桥健康监测系统，监测结果与理论计算基本吻合。本文接着研究并总结了传感器在大型土木工程结构健康监测中的优化布点方法、健康状况识别准则以及现场监测数据的采集及后处理方法，对大型土木工程健康状况监测智能化、网络化、系统化的实现具有重要意义。本文最后结合不同类型(在建、已建、加固)重大土木工程健康监测的试验和应用，从材料、构件、结构等方面探讨了用于重大工程结构的光纤光栅传感器的制备、封装、埋入、粘接、安装保护工艺等技术以及光纤光栅传感网络设计技术和系统集成技术，部分监测试验结果并与常规监测结果进行了对比分析，最终实现了在重大工程建设中的应用。本论文的多项研究成果通过相关的成果鉴定，并已在多个重大工程项目上获得成功应用，成为国家科技进步二等奖的部分内容。
梁龙彬[4]2001年在《光纤光栅应变传感在建筑结构中的应用研究》文中提出自光纤光栅问世以来，光纤光栅在传感器方面的应用的研究越来越引起人们的重视。光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、结构紧凑等特点。 利用光纤光栅对应力敏感的特性，人们已经开始对结构体系（如楼房、桥梁、铁路、大坝等）进行蒙皮实验，并实施应力（应变）的实时检测与监控。在军事上亦开展了光纤光栅型水听器的研究。本文围绕国家自然科学基金委资助项目、天津科委资助项目及天津建工集团资助项目主要完成了以下工作： 一、详细综述了光纤光栅的发展历程，概述了光纤光栅写入法的研究情况，对光纤光栅进行了分类，并对各类光栅的主要性能和应用做了阐述。 二、从麦克斯韦方程出发详细推导了周期性介质波导的耦合模方程，并在此基础上对光纤光栅进行了理论研究。 叁、利用掺铒光纤自行研制了传感用宽带光源，并对其进行了理论上的分析和研究。 四、利用建筑用等强度梁完成了实验室对应变的测量，首次将光纤光栅应变测量同传统的应变测量方法——电阻应变片测量法进行了对比分析，向工程应用研究迈进了一步。 五、介绍了各种光纤光栅的解调方法，并对本课题中所用的解调方案进行了理论分析。
杨亦飞[5]2005年在《工程化光纤光栅传感系统的设计与应用研究》文中研究表明光纤光栅(fiber grating)作为一种新型的光无源器件,因其具有诸多独特的光学性质,使其在光通信和光传感领域有着非常广泛的应用前景。其中,光纤光栅在传感应用领域以其灵敏度高、动态范围大、长期可靠性好、抗外界干扰能力强、体积小、便于组成传感网络等特点,受到各国研究者的极大关注。尤其是近年来,有关光纤光栅的研究工作取得了很大突破。经过十几年的发展,目前应变、应力、压力、温度、位移、加速度等光纤光栅传感器已开始应用于桥梁、大坝、混凝土结构和钢结构建筑的施工检测,并在其运营的长期健康监测中得到了实际应用。此外,光纤光栅传感器在石化和电力的温度监测中也得到了实际应用。随着光纤光栅传感技术的不断发展与完善,光纤光栅传感器及其传感网络系统会获得更广泛的应用。本论文的主要研究内容来源于国家科技部863计划课题资助项目、天津市重点科技攻关项目以及上海市科技项目,以解决布拉格光纤光栅传感技术在实际工程应用中的关键问题为研究重点,通过对光纤光栅传感理论和应用技术的研究,结合工程应用的具体要求对传感用布拉格光纤光栅的制作方法、工程化传感器研制、信号解调技术的开发进行了理论、实验和应用研究,取得了创新性研究成果。全文共分六章,主要内容包括:第1章:比较系统地总结了光纤光栅技术原理、分类、应用以及发展状况和趋势,以布拉格光纤光栅为敏感基元,对其传感原理和传感理论的最新发展进行了分析和阐述。第2章:系统阐述了光纤光栅叁种理论分析方法:耦合模理论、传输矩阵法和傅氏变换法,对叁种分析方法的内容和特点进行了较为全面的总结。对均匀光纤光栅、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅、Tapered光纤光栅、Morié光纤光栅、Blazed光纤光栅、相移光栅、超结构光栅等几种典型的光纤光栅的折射率分布特点、反射谱特性进行了模拟和分析。第3章:结合光纤光栅制作基本方法,系统研究了达到产品化性能要求的布拉格光栅制作的关键技术:如光纤的预处理技术、波长控制技术、切趾技术等。采用关键技术,传感用光纤光栅波长的最大拉伸量达到10nm;自行开发出一种新颖的调谐机构,使光纤光栅波长调谐范围达到40 nm,该成果处于国际领先水平;使用自行开发的切
姜明顺[6]2007年在《基于ARM的光纤传感解调仪开发及其在岩土工程监测中的应用》文中研究表明本文主要开发了一种分布式光纤光栅传感网络解调仪。论文在对国内外研究现状进行了深入分析的基础上，归纳了当前光纤光栅传感技术的发展趋势及其在实际应用中存在的问题，并针对分布式光纤光栅传感网络的解调系统的频域反射、信号解调、复用寻址、光源设计以及温度补偿这五个方面展开研究。首先，论文从分布式光纤光栅传感网络的理论模型入手，分析了光纤布拉格光栅的传感机理，建立了光纤光栅传感模型；在分析比较了几种常见的复用技术和信号解调技术的优缺点基础上，提出应用光频域反射复用技术和波分复用技术相结合的混合复用方法来解决光纤光栅传感网络的寻址问题，采用由宽带光源和可调谐光滤波器组成的可调谐窄带光源来解调复用信号，通过理论分析和实验研究证实了系统方案的可行性。其次，重点进行了信号解调部分的设计，利用ARM智能芯片LPC2214设计了硬件解调电路，并予以实现。再次，对分布式光纤光栅传感网络的各个组成模块分别进行了原理分析和器件设计。基于光纤光栅的温度响应特性，提出了用一个参考光栅来进行光纤光栅传感阵列温度补偿的设计方案，并论述了其补偿原理，证明了该方法的可行性；同时可以看出，该方法不仅可以实现温度补偿，也可以减小光纤F-P可调谐滤波器的重复性误差以及光源功率波动、探测器噪声和电路噪声等引起的误差。最后，进行了光纤布拉格光栅的温度和应变特性测试实验，分析了光纤光栅传感网络在岩土工程安全监测中应用的必要性和可行性，针对光栅阵列的寻址解调技术在岩土工程安全检测的应用进行了实验研究，并阐述了影响系统测量精度的各种因素以及相应的解决方法。
董兴法[7]2005年在《阵列化光纤光栅传感器技术研究》文中研究指明世界已经跨入信息时代,光子作为信息的又一种载体越来越显示了它的显着地位。光纤作为信息传输的通道正在得到广泛地应用,各种类型的光纤系统及光纤器件共同构筑了和改善着我们这个社会信息交流的平台,显示了不可替代的重要性。光纤光栅是纤芯折射率沿光纤轴线呈周期性变化的一种光纤结构,它标志着近年来继光纤以后的又一座里程碑。目前,以布喇格光纤光栅(FBG: fiber Bragg grating)为传感主体的传感器已成为研发主流。这种传感器适于在高温、腐蚀性或危险性环境中使用。在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。目前,已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等,其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。本论文主要以布喇格光纤光栅为研究对象,对其传感技术、解调技术以及网络技术进行了理论和实验的研究。主要内容有:1.概括介绍了光纤传感和光纤光栅传感技术的发展现状。分析了以光纤光栅作为基本传感器件的原理,说明了不同成栅方法的特点,概述了光纤光栅传感器的解调和复用技术。2.从耦合模理论出发,论述了具有不同折射率结构的光纤光栅所表现的传输谱及其应用范围。以均匀Bragg光纤光栅、长周期光纤光栅为典型,简要推导了传输谱的中心波长、反射率、3dB带宽等参数的数学表述,说明了它们与折射率调制因素的关系。从一般光纤传感器到当今广泛研究的FBG传感器,研究了它们的组网原理,讨论了限制传感器网络中点数设置的关键问题。3.从光纤光栅传感技术的关键点入手,系统阐述了单点解调方法、组网方法及复用系统的解调方法。这些包括马赫-泽德、迈克尔逊等干涉型解调方案以及法布里-珀罗可调谐滤波器、边沿滤波、匹配光纤光栅滤波等滤波型解调方案。分析了在光纤光栅传感系统阵列化应用时的关键复用技术,如波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)等技术的组合解调方法。同时,还对传感系统中光电检测的关键技术以及光源技术进行了探讨。4.从光纤光栅交叉敏感物理模型出发,引入光纤光栅的交叉关联分析方法,指导高性能传感器的设计。首次提出并设计了用于结构损伤诊断的实用型光纤光栅传感器,并获得专利授权;研究了应用F-P半导体激光器和FBG振动传感的方法;首次提出了一种新颖的光纤光栅温度补偿型应变检测方法和振动传感方法;
冯仁俊[8]2006年在《基于光纤光栅测试的全长锚固锚杆实验研究》文中进行了进一步梳理锚杆支护是目前井巷工程中应用最为广泛的一种支护方式。但是由于锚杆受力状态的复杂性，使得锚杆在支护过程中的应力应变测试很困难。本论文以锚杆受力分析和光纤光栅特性分析为理论基础，研究了光纤光栅传感技术对锚杆应力应变的测试应用，为锚杆支护提供一种新的监测方法。 在借鉴前人的成果上，首先从理论上分析了张拉载荷下全长锚固锚杆杆体形变过程，分析出轴力与锚固深度成指数函数递减的关系；剪应力的分布范围因介质弹性模量的增大而减小等。为实验分析提出了理论依据。 光纤光栅传感器是近年来新兴起来的一种传感器。在光纤光栅传输理论的基础上，分析了光纤光栅轴向应变与轴向力传感特性。并提出了光纤光栅锚杆监测系统，分析了系统原理。 在理论分析的基础上，本论文针对封装有光纤光栅的全长锚固金属锚杆做了对比拉拔实验，测试杆体在不同介质拉拔中的形变过程。并利用数值分析的方法对实验结果进行了分析，实验可信度比较高，但也存在一定误差。实验表明：将光纤光栅粘贴在金属锚杆表面对锚杆进行受力监测是可行的，实验结果与理论分析十分吻合。
毛江鸿[9]2012年在《分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究》文中认为分布式光纤传感技术引入国内已有近十年时间,已在相当工程中得以应用,并取得了许多成果。然而,在实际工程应用中分布式传感光纤的布设技术和工艺扮演着重要角色,布设过程中必须考虑光纤的存活率,过多线路修复会明显增加线路的光纤损耗,从而造成监测网络稳定性降低甚至失效。特别是大型新建结构监测,施工过程铺设的分布式传感光纤极易受其它工种破坏,将其埋入结构内部可为传感光纤提供稳定工作环境。BOTDA作为一种分布式监测技术,通过合理地设计监测网络可实现结构整体性能的监测,但构件的局部相关性能如结构开裂,同样也是影响结构安全性、适用性及耐久性的关键指标。本文围绕BOTDA技术应用于结构应变和开裂监测中的关键技术,通过理论分析和试验研究完善了分布式传感光纤在混凝土内部的布设工艺,同时进行了分布式光纤监测结构开裂的试验研究,作为结构整体健康监测的重要补充。本文主要的研究工作归纳如下：(1)采用气吹-灌浆技术进行混凝土内部光纤布设工艺的研究和完善：依据叁步骤布设传感光纤,首先通过研制的微管固定装置在结构内部布设微管,再采用气吹技术将传感光纤吹入微管,最后采用灌浆技术固定传感光纤。并通过室内模拟试验,比选传感光纤类型、微管连接方式、一次性布设长度等,完善布设工艺；(2)分布式光纤传感器应变传递性能分析和研究：通过理论分析和试验研究对埋入式及表面式光纤传感器的应变传递性能进行系统研究,分析不同管径、光纤类型、粘结剂对测量精度的影响,为适应于不同结构的传感器优化设计提供指导；(3)依托隧道健康监测项目,进行了气吹-灌浆工艺铺设传感光纤的工程应用,实现了混凝土内部应变的分布式监测。将光纤时变应力场监测结果与施工初期埋入的传统传感器初始应力场迭加,得到隧道二衬的长期真实应力水平。通过Labview软件编制了数据处理及评估软件,通过光开关等硬件设备集成了隧道健康监测系统；(4)研究利用BOTDA技术对历史文物进行了保护监测,考虑到文物具有历史价值高、损伤监测范围大、美观要求高等特点,设计了合理的光纤布设方式和全过程监测方案。并将其运用在某独木舟出土全过程监测中,监测数据表明,采用的文物保护、加固措施非常有效,可保证独木舟出土、保护、馆藏过程中的安全,同时也证实了分布式光纤传感技术在文物保护中具有实践意义；(5)结合BOTDA和光纤光栅(FBG)监测技术,对某砖混结构的托换梁改造加固进行了检测,为圈梁托换成框架梁的整个过程进行安全监测。一方面保证了托换过程的安全性,另一方面为所设计的托换方式的有效性和工作性能研究提供了数据支持,为后续托换梁优化设计提供参考；(6)进行了BOTDA技术在结构开裂监测中的应用研究,采用标定试验和斜交光纤组的方式监测裂缝的宽度及走向,建立了光纤应变和裂缝宽度、夹角间的关系。并采用室内模拟及加速锈蚀的方式,研究其应用于钢筋锈蚀监测中的可行性和有效性；(7)在大量工程应用和室内试验的基础上,总结了使用BOTDA技术过程中的问题及解决方法,为解决分布式光纤传感技术应用于结构健康监测的关键技术提供了参考。
李强[10]2010年在《内燃机动态应变和缸内压力的光纤光栅传感技术探索》文中提出内燃机的运行控制依赖于对内燃机运行状态的精确监控,目前广泛使用的都是电传感器。作为传感单元,光纤光栅的主要优势是检测信息为波长编码的绝对测量;另外,插入损耗低和窄带的波长反射提供了有利于在一根单模光纤上的复用,可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环形连接。本文对光纤光栅传感技术在内燃机上的应用进行了探索性的工作,以期实现内燃机测试技术的创新。光纤光栅可以测量多种物理量:温度、位移、振动加速度、压力、电流、磁场、水声、液位、碳氢气体以及扭矩,几乎可以替代内燃机上所有的传统电传感器。本文主要对内燃机动态应变传感和缸内压力传感两个方面开展探索。在内燃机动态应变测试方面以CG125型四冲程单缸汽油机为平台,一方面借助有限元软件对发动机的缸体应变进行仿真分析;另一方面使用应变片动态应变传感系统和光纤光栅动态应变传感系统进行参照性对比试验,实验结果比较一致。另外,以YN-D19型柴油机为平台测试了光纤光栅动态应变传感系统,验证了光纤光栅动态应变传感系统应用于大功率柴油机的可行性。在内燃机缸内压力测试方面以CG125为研究对象,自行设计封装光纤光栅压力传感器,并在CG125发动机上使用电机倒拖的方法对光纤光栅压力传感器进行了测试,光纤光栅压力传感器的测量结果与理论分析比较一致。由于内燃机为高温、高压的热力机械,各参数为动态参数,而现有的光纤光栅传感系统主要是在静态、常温下得到应用。因此本项研究为光纤光栅传感技术在内燃机上的应用做了先期的探索。
参考文献：
[1]. 光纤光栅传感技术与工程应用研究[D]. 孙丽. 大连理工大学. 2006
[2]. 光纤光栅传感器应变传递理论研究[D]. 周广东. 大连理工大学. 2007
[3]. 光纤光栅智能材料、结构的研究与应用[D]. 符晶华. 武汉理工大学. 2006
[4]. 光纤光栅应变传感在建筑结构中的应用研究[D]. 梁龙彬. 北京工业大学. 2001
[5]. 工程化光纤光栅传感系统的设计与应用研究[D]. 杨亦飞. 南开大学. 2005
[6]. 基于ARM的光纤传感解调仪开发及其在岩土工程监测中的应用[D]. 姜明顺. 山东大学. 2007
[7]. 阵列化光纤光栅传感器技术研究[D]. 董兴法. 南开大学. 2005
[8]. 基于光纤光栅测试的全长锚固锚杆实验研究[D]. 冯仁俊. 西安科技大学. 2006
[9]. 分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究[D]. 毛江鸿. 浙江大学. 2012
[10]. 内燃机动态应变和缸内压力的光纤光栅传感技术探索[D]. 李强. 天津大学. 2010
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