新型光纤光栅倾角传感器设计及其桥梁挠度测试

发布时间：2016-09-27 09:06

  本文关键词：基于光纤光栅传感器的桥梁挠度检测与监测，由笔耕文化传播整理发布。

《中南大学》 2009年

新型光纤光栅倾角传感器设计及其桥梁挠度测试

伍贤智  

【摘要】： 光纤光栅传感器近年来发展迅速,广泛应用于土木工程结构健康监测中。相对于传统的传感器而言,其具有准分布式传感、绝对测量、抗腐蚀性强、抗干扰性强、结构简单、易构成传感网络等显著优点。光纤光栅应变、温度传感器已相当成熟,而光纤光栅倾角传感器还处于探索阶段。基于此,本文从土木工程实际应用角度出发,根据布拉格光栅传感原理研制了两种新型的光纤布拉格光栅倾角传感器,并进行了相应的性能测试研究,具有一定的工程应用意义。其主要内容如下: 1.在光纤布拉格光栅反射波长基本表达式的基础上,对布拉格光栅应变、温度传感特性以及传感灵敏误差和应变温度耦合特性进行了推证分析。 2.从布拉格光栅应变传感特性出发,结合电阻应变式倾角传感器的设计方法,研制了两种新型的光纤布拉格光栅倾角传感器,对其进行了力学分析和温度补偿分析,并从理论上证明了方案的可行性。 3.分别对两种倾角传感器进行了静态实验,实验表明两种倾角传感器都具有良好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。且直接以光纤布拉格光栅为传感元件的倾角传感器具有很高的灵敏度,为322 pm/deg,通过增加摆长与摆的质量可以进一步提高倾角传感器的灵敏度。 4.阐述了光纤布拉格光栅倾角传感器在桥梁挠度测试中的应用,提出了应用分跨的最小二乘法测量桥梁挠度的方法,此种方法较传统方法可以节省时间,降低对环境条件的依赖,最后,通过数值模拟验证了该方法的准确性。

【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U446
【目录】：

摘要3-4

ABSTRACT4-6

目录6-8

第一章 绪论8-16

1.1 课题的研究背景与意义8-9

1.2 光纤光栅传感技术的研究进展9-14

1.2.1 光纤光栅应变、温度测量及交叉敏感分离技术10-11

1.2.2 光纤光栅准分布式传感技术11

1.2.3 光纤光栅传感解调技术11-12

1.2.4 光纤光栅传感器在土木工程中的应用12-14

1.2.5 光纤光栅倾角传感器现状14

1.3 本文的主要研究内容14-16

第二章 光纤布拉格光栅的传感特性16-24

2.1 引言16-17

2.2 均匀轴向应力下的光纤光栅传感特性分析17-18

2.3 均匀横向应力下的光纤光栅传感特性分析18-19

2.4 光纤布拉格光栅温度传感特性19-20

2.5 光纤布拉格光栅传感灵敏度误差分析20-22

2.5.1 光纤布拉格光栅应变传感灵敏度误差分析20-21

2.5.2 光纤布拉格光栅温度传感灵敏度误差分析21-22

2.6 光纤光栅应变与温度耦合作用分析22-23

2.7 本章小结23-24

第三章 光纤光栅倾角传感器的理论设计及实验24-45

3.1 引言24

3.2 基于摆锤-等截面梁的光纤光栅倾角传感器的设计24-38

3.2.1 力学性能分析25-26

3.2.2 光纤光栅倾角传感器的温度补偿26-28

3.2.3 光纤光栅倾角传感器的传感特性分析28

3.2.4 光纤光栅倾角传感器结构设计28-30

3.2.5 传感器的性能实验30-38

3.3 直接以光纤光栅为元件的倾角传感器38-44

3.3.1 基本原理39-40

3.3.2 实验及数据分析40-44

3.4 本章小结44-45

第四章 光纤光栅倾角传感器在桥梁变形测试中的应用45-55

4.1 引言45

4.2 光纤光栅倾角传感器在桥梁挠度测量中的应用45-52

4.2.1 概述45-46

4.2.2 基于最小二乘方法的挠度曲线拟合46-47

4.2.3 数值模拟算例47-52

4.3 应用倾角传感器测量塔顶位移52-53

4.4 倾角传感器在桥墩沉降监测中的应用53-54

4.5 本章小结54-55

第五章 结论与展望55-57

5.1 主要工作及结论55

5.2 展望55-57

参考文献57-62

致谢62-63

攻读学位期间主要的研究成果63

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本文编号：124291