基于光纤光栅的多维传感器的设计及应用研究

发布时间：2020-06-07 16:23

【摘要】：现代重大工程的结构性能要求高,结构复杂,对其实施监测及时发现结构损伤部位及破环程度,评估结构安全性能,预测结构性能的变化和剩余使用寿命,对提高工程结构的运营效率、保障人民生命财产的安全具有极其重要意义。光纤光栅具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、体积小、重量轻、电绝缘、抗电磁干扰能力强、测量对象广泛、易构成传感网络、实现在线实时监测等优点。随着光纤光栅传感技术的高速发展,光纤光栅在结构健康监测领域引发了一场变革。本文主要内容如下：首先介绍了光纤光栅传感技术的优越性和发展现状,详细阐述了光纤光栅的结构和传感原理,进一步深入研究了光纤光栅应变和温度传感器的传感特性；随着光纤光栅的制造技术不断完善,逐渐显示出其不可替代性以及在各个领域的极大应用前景,利用它对结构进行健康监测,是土木工程领域发展的重要方向之一；其次提出平面二维光纤光栅应变传感器和空间三维光纤光栅应变传感器的设计。针对处于复杂应力状态下的工程结构出现的“维度匹配”问题,提出并研制了平面二维光纤光栅应变传感器和空间三维光纤光栅应变传感器,通过对平面二维光纤光栅应变传感器和空间三维光纤光栅应变传感器的开发及传感器特性的试验研究,能够解决处于复杂应力状态下的重大工程结构长期监测的问题,试验证明这两种多维光纤光栅应变传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身影响小、存活率高,不仅安装灵活而且还以可重复利用,能与待测结构很好的结合,适用重大工程结构的健康监测；最后针对光纤光栅传感器在沈阳文化艺术中心工程和国电和风铁岭台子山风电场风力发电机基础锚杆工程中的应用进行了研究,通过对沈阳文化艺术中心工程支撑体系中扣件式脚手架应变的监测,实现了对扣件式脚手架的稳定承载性能及安全性的评估；通过对国电和风铁岭台子山风电场风力发电机基础锚杆的监测来观察其应变的变化情况,实现了对风力发电机结构进行长期全程实时安全监测。
【图文】：

钢结构安装,工业园,南京,剪刀撑

，风，加之钢梁间剪刀撑和柱间剪刀撑严重不足，引发了钢屋盖结构整体巧塌事故，人死亡，２人受伤（见图ｌ．ｌｉｓｊ）。２００９年７月２３日，河北省晋州市广播电视发射塔工质量差被大风刮倒，造成２７０万元经济损失，更造成恶劣社会影响。２０１０年，明新机场航站区停车楼及高架桥工程引桥发生了骑塌，事故造成多人伤亡。逡逑

构成图,构成图,监测系统,纤芯

１．３．１光纤光栅传感系统组成逡逑光纤光栅传感系统系统主要由光纤光栅传感器和数据采集设备两部分组成，监测系统逡逑构成图如图１．２所示。光纤光栅波长解调设备采用美国Ｍｉｃｒｏｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ公司生产的ＳＭ邋—１３０光逡逑纤光栅波长调制解调仪。光纤光姗传感器核屯、元件为光纤光栅，主要由纤芯、包层、和涂逡逑覆层组成（如图１．３）。纤忘主要成分是二氧化括，，通常在纤芯中惨入微量二氧化错来改变逡逑纤苍的折射率，由于纤芯的折射率大于包层，通过纤芯的光能够在纤巧内发生全反射，使逡逑关信号能够实现长距离传输。纤芯直径一般为５－５０微米，包层直径１２５微米。涂覆层通常由逡逑环氧树脂、橡胶等高分子材料制成，直径一般为２５０微米。逡逑Ｐ—＂Ｉｔ纤完……逡逑ｒ￣＇＂—连接跳凌z@赛襄豁…逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋．逦郎Ｇ波长调制解调化逡逑Ｉ逦计算机处理中也逦■逡逑Ｉ逦反馈结果信息邋与逡逑图１．２监测系统构成图逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ邋ｓｙｓ化ｍ逡逑光纤徐覆层逡逑光纤纤芯逦＼逦逦逡逑（１２５仰）心诉静）逦一？’逡逑光纤护套（０．９ｍｍ）逡逑图１．３光纤基本结构图逡逑Ｆｉｇ．１．３邋Ｔｈｅ邋ｄｉａ２ｉ＊ａｍ邋ｏｆ邋化６邋ＯＤｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑由于环境参量如温度、应为的变化改变了光纤光栅的光学性能，使满足光纤布拉格条逡逑件的光波长发生了变化。利用光纤光栅传感器对外部环境变化的敏感性，由光源发生器发逡逑出宽谱光
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU317;TP212

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