基于多模干涉技术的光纤声发射技术用于桥梁挠度监测的研究

发布时间：2017-09-03 02:01

  本文关键词：基于多模干涉技术的光纤声发射技术用于桥梁挠度监测的研究

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【摘要】：随着经济的发展,面对当前方兴未艾的桥梁工程建设,国家对基础交通设施的工程安全问题重视程度不断提高,桥梁结构健康监测也提到了一个新的高度。桥梁挠度监测作为桥梁健康监测的重要组成部分,是对桥梁进行安全评估的重要指标。由于原有挠度监测技术的瓶颈以及桥梁挠度长期在线监测的难度,目前仍然缺乏对桥梁挠度长期在线监测行之有效的方法,亟需突破原有测量技术的局限性,研究新型的桥梁挠度监测技术。本论文首先介绍分析了桥梁挠度监测的重要意义以及现有的挠度监测技术手段,通过分析这些技术的原理、性能及优缺点,总结了桥梁挠度监测的难点和现有技术的局限性,为本论文研究新型的桥梁挠度监测技术提供理论参考。在系统调研超声波测距技术基础上,针对桥梁挠度监测长期稳定性、分布式、精度高等要求,本论文首次提出采用基于多模干涉技术的光纤超声波传感系统用于桥梁挠度在线监测,并深入研究了该系统的传感原理、传感系统的设计与搭建、位移传感方案的设计与优化、非接触式位移传感实验和桥梁挠度模拟测试,主要的研究内容包括：1、系统分析了超声波的特性、超声波非接触式测距技术的原理以及现有超声波测距技术在桥梁挠度监测方面的优势和局限性。2、分析了光纤传感器在桥梁挠度监测领域的优势和局限性,通过与超声波测距技术优势互补,提出基于多模干涉技术的光纤超声波传感器用于桥梁挠度监测的方法。3、研究了多模干涉光纤传感器的传感原理,并通过实验验证了其对25kHz的超声波脉冲信号的有效探测。为了减小因超声波脉冲信号畸变以及外界环境温度、湿度等干扰因素对测量结果的影响,本文提出双传感器参考分析的位移传感方案,通过同步测量双传感器的超声波脉冲信号包络时延差,大幅提升了传感系统的稳定性。4、理论研究了基于多模干涉技术的光纤超声波位移传感系统的测量原理,设计并搭建了非接触式位移传感系统。通过实验,对超声波脉冲探测法和脉冲内准连续波相位探测法的测量精度分别进行了测试。针对脉冲探测法量程大、精度低和准连续波相位探测法精度高、量程小的问题,首次提出一种新型的基于脉冲-相位探测法的位移传感方案,并通过实验,对其可行性进行了验证。其测量分辨率可以达到0.3mm,最大测量误差为0.37mmm,测量量程理论上可以达到传感器对超声波脉冲的最大探测距离,达5米以上,基本满足一般桥梁挠度监测高精度、大量程的要求。5、在实验室内搭建桥梁挠度模拟实验系统,通过模拟桥梁挠度的一般变化规律,进行了挠度模拟监测实验,实现并验证了所设计的传感系统对桥梁工后各类挠度变化的非接触式探测,其位移测量的分辨率保持在0.3mm。通过对桥梁挠度监测的模拟探索实验,验证了该系统在桥梁结构健康监测领域的可行性及其性能指标,为最终应用于桥梁挠度长期在线监测提供了一定的理论依据和技术支持。
【关键词】：桥梁挠度 超声波 非接触式测量 多模干涉光纤传感器 脉冲探测 相位探测 脉冲相位探测法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U446
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题11-12
• 1.3 本文研究内容,可能遇到的问题及解决方法12-13
• 1.3.1 本文的研究内容及方法12-13
• 1.3.2 可能遇到的问题及解决方法13
• 1.4 本章小结13-14
• 参考文献14-16
• 第二章 现有桥梁挠度监测技术原理、现状与难点16-32
• 2.1 前言16
• 2.2 现有挠度监测技术原理研究与分析16-27
• 2.2.1 全站仪法16-18
• 2.2.2 倾角仪法18-19
• 2.2.3 水准测量法19-22
• 2.2.4 全球定位系统(GPS)测量法22-23
• 2.2.5 激光测量法23-24
• 2.2.6 雷达干涉测量24-25
• 2.2.7 加速度测量法25-26
• 2.2.8 分布式应变测量法26-27
• 2.3 桥梁挠度监测难点27-28
• 2.4 本章小结28
• 参考文献28-32
• 第三章 超声波特性、超声波测距原理及在工程监测领域的应用32-44
• 3.1 前言32
• 3.2 超声波介绍32-34
• 3.3 超声波测距原理34-36
• 3.4 超声波测距系统介绍36-40
• 3.5 超声波测距技术的应用现状40-41
• 3.6 本章小结41-42
• 参考文献42-44
• 第四章 非接触式光纤超声波位移传感技术与系统研究44-68
• 4.1 前言44
• 4.2 光纤传感技术介绍44-45
• 4.3 光纤超声波位移传感器原理分析与实验研究45-48
• 4.3.1 多模干涉光纤超声波传感器原理45-46
• 4.3.2 多模干涉光纤超声波传感器的设计与制作46-47
• 4.3.3 多模干涉光纤传感器对超声波脉冲信号响应能力探测实验47-48
• 4.4 非接触式光纤超声波位移传感系统设计、优化与实验研究48-65
• 4.4.1 光纤超声波位移传感系统的搭建48-52
• 4.4.2 基于双传感器脉冲探测法的位移传感方案及实验研究52-57
• 4.4.3 基于超声脉冲内准连续波相位探测法的位移传感方案与实验研究57-61
• 4.4.4 新型基于脉冲-相位法的高性能化位移传感方案设计、原理分析及实验61-65
• 4.5 本章小结65
• 参考文献65-68
• 第五章 桥梁挠度模拟监测实验研究68-74
• 5.1 前言68
• 5.2 桥梁挠度模拟监测实验68-72
• 5.2.1 模拟实验方案设计68-69
• 5.2.2 模拟实验结果分析69-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 全文总结74
• 6.2 结论74-75
• 6.3 展望75-76
• 致谢76-78
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文78

【参考文献】

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本文编号：782170