水工混凝土结构裂缝的光纤智能传感技术与安全监控模型研究

发布时间：2020-03-21 17:44

【摘要】：我国大量水利工程存在着各种类型的缺陷,其中水工混凝土结构裂缝是常见的缺陷形式。裂缝不仅影响结构耐久性和美观,严重裂缝甚至破坏结构整体性,导致结构应力状态恶化,削弱结构的承载能力。因此,对水工混凝土结构的裂缝进行监测对保证结构的安全运行具有重要意义。而传统的电测传感器普遍存在耐久性较差、易受电磁干扰等缺点,难以满足工程实际的监测要求。因此,亟需研究新型传感器技术,以适应水工混凝土结构复杂的监测条件。同时,在水工混凝土结构裂缝安全监控研究中,传统统计模型易受多重共线性影响、神经网络模型易陷入局部最小值,预测效果欠佳。所以,也需研究适用于水工混凝土结构裂缝的安全监控模型。本文针对传统裂缝监测传感器和传统统计模型在实际应用中的不足,提出了基于光纤弯曲损耗原理的新型光纤裂缝传感器和基于随机森林算法的水工混凝土结构裂缝安全监控模型,主要研究内容如下:(1)基于光纤弯曲损耗原理,提出了一种用于水工混凝土结构裂缝监测的新型光纤传感器,介绍了传感器的结构和组成,分析了传感器工作原理。对传感器光损耗值与裂缝宽度间的理论关系进行了推导。实验验证了传感器用于结构裂缝监测的可行性,确定了传感器的技术指标,并通过实验对传感器的性能进行了测试。(2)针对激光光源抖动问题,提出基于分光器的光纤裂缝传感器改进方案,理论分析了激光光源抖动产生原因及对传感器测量结果的不良影响,阐述了改进方案原理,实验验证了该改进方案对避免光源抖动对基于弯曲损耗原理的光纤传感器不利影响的有效性。最后,通过钢筋混凝土梁裂缝监测实验进一步验证了本文提出的基于光纤弯曲损耗原理的光纤裂缝传感器应用于水工混凝土结构裂缝监测的可行性。(3)建立了基于随机森林算法的水工混凝土结构裂缝安全监控模型,选取工程实测裂缝数据,通过训练集进行训练建模,并对测试集进行预测。并将其预测结果分别与神经网络模型和最小二乘法的预测结果对比,证明了随机森林模型具有更高的预测精度。
【图文】：

示意图,光纤,基本结构,示意图

[80]。图2-1 光纤基本结构示意图Fig.2-1 Schematic diagram of the basic structure of the fiber光纤按其横截面上折射率径向分布特征的不同，可分为阶跃型和渐变型光纤两类。阶跃型光纤折射率在纤芯与包层界面上呈阶梯型变化。渐变型光纤纤芯折射率随半径增大而呈非线性递减[81]，其折射率一般用下式表示：12[1 ( / ) ] 0( ) gn r a r an rn a r a（2-1）式中：

结构示意图,传输模,辐射模,空间滤波效应

西安理工大学硕士学位论文12图2-2 光纤弯曲损耗结构示意图Figure 2-2 schematic diagram of fiber bending loss structure光波在光纤中的传播有传输模、泄漏模和辐射模 3 种模式，传输模是在纤芯内传播的光波场，泄漏模指在纤芯与一定厚度的包层内传播的光波场，辐射模在纤芯与包层内均为传输场[84]。严格意义上的光纤处于理想情况下不会发生损耗现象，当光纤发生一定程度的弯曲后，会产生沿弯曲半径方向的能量辐射，原有光波导中的传输模变为辐射模，，从而引起弯曲损耗。弯曲损耗主要由空间滤波、模式泄漏和模式耦合三种因素共同作用引起[85]。微弯损耗主要由模式耦合引起，而宏弯损耗则以空间滤波效应引起的损耗为主。空间滤波效应是指光纤的弯曲使光波传播的全反射条件遭到破坏，导致进入光纤弯曲部分的高阶次模折射到包层中，从而将其携带的能量辐射到光纤之外的一种物理效应；光纤弯曲程度越大
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV544

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