长周期光纤光栅在智能结构中的应用研究

论文摘要

长周期光纤光栅是一种周期在数百微米的光纤光栅,具有插入损耗低、无后向反射、制作简单以及成本低、许多方面灵敏度高于FBG等独特优点,在光纤传感和光纤通讯领域具有良好的应用前景,成为近年来的研究热点。但是,目前对长周期光纤光栅的研究主要还停留在理论与实验的探索阶段,实用化程度不高。本课题致力于将长周期光纤光栅应用到实际的工程结构当中,包括结构的振动监测以及民用的土木工程结构,实现结构的健康监测。全文研究工作内容包括如下几个方面:(1)对长周期光纤光栅进行理论分析,介绍了长周期光纤光栅的写入技术及形成机理。以耦合模理论为基础,基于三层光纤模型,对阶跃单模光纤中写入的非倾斜均匀长周期光纤光栅的传输特性进行了分析,给出了基于此理论的长周期光纤光栅的有效折射率、耦合系数、透射率以及谐振波长的表达式,为光栅的制作及其传感特性提供了理论基础;(2)长周期光纤光栅的基本传感特性是其进行实际工程应用的基础。从理论分析和实验研究的角度出发,讨论长周期光纤光栅的基本传感特性,包括温度、轴向应变、弯曲、折射率和横向负载特性,分别讨论了各个情况下长周期光纤光栅透射光谱的变化,并给出相应的特性曲线和灵敏度系数;(3)基于长周期光纤光栅的弯曲特性研究,发现其透射光中某固定波长处的光功率与LPFG的弯曲度近似成线性,提出利用这一特点,将长周期光纤光栅粘贴在待测板结构上,实现对板结构动态信号的监测;(4)利用布拉格光栅的窄带特性解调长周期光纤光栅,始终监测LPFG某固定波长处的光功率,建立了基于长周期光纤光栅微弯特性的动态信号监测系统,该系统用于对待测板结构振动信号的监测,初步实现了分布式振动信号的采集;(5)基于长周期光纤光栅动态信号监测系统,对待测结构各种损伤状况下采集到的动态信号进行分析,提取小波包能量谱变化率为结构的损伤指标,实现结构的损伤识别;(6)基于混凝土结构中钢筋的锈蚀机理,利用长周期光纤光栅对折射率的传感特性,设计了相关方案,在实验室环境下实现了对钢筋锈蚀的监测;(7)基于长周期光纤光栅对微弯的传感特性,设计了混凝土结构的钢筋锈蚀传感器,在实验室环境下可行的基础上,将其埋入钢筋混凝土结构,对结构内部的钢筋锈蚀情况进行了监测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 智能结构概述
• 1.1.1 智能结构的研究背景
• 1.1.2 智能结构的关键技术
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.2 光纤光栅概述
• 1.2.1 光纤光栅的发展
• 1.2.2 光纤光栅的分类
• 1.3 光纤光栅型智能结构
• 1.4 长周期光纤光栅（LPFG）的研究现状
• 1.5 论文主要研究工作
• 第二章 长周期光纤光栅的理论分析
• 2.1 长周期光纤光栅的写入技术及形成机理
• 2.2 耦合模理论
• 2.3 纤芯基模和包层模有效折射率
• 2.3.1 基模有效折射率的求解
• 2.3.2 包层模有效折射率的求解
• 2.4 纤芯基模和包层模的场分布
• 2.4.1 纤芯基模的场分布
• 2.4.2 包层模式的场分布
• 2.5 长周期光纤光栅的耦合系数
• 2.5.1 纤芯基模间的自耦合系数
• 2.5.2 纤芯基模与一阶各次包层模的耦合系数
• 2.6 长周期光纤光栅的模式耦合
• 2.7 透射率及谐振波长
• 2.7.1 透射率
• 2.7.2 谐振波长
• 2.8 本章小结
• 第三章 长周期光纤光栅的传感机理
• 3.1 长周期光纤光栅（LPFG）的温度传感
• 3.1.1 谐振波长的温度特性理论分析
• 3.1.2 损耗峰幅值的温度特性
• 3.1.3 温度特性实验研究
• 3.2 长周期光纤光栅（LPFG）的轴向应变传感
• 3.2.1 轴向应变理论分析
• 3.2.2 轴向应变实验研究
• 3.3 长周期光纤光栅（LPFG）的弯曲传感
• 3.3.1 弯曲特性理论分析
• 3.3.2 弯曲特性实验研究
• 3.4 长周期光纤光栅（LPFG）的折射率传感
• 3.4.1 折射率特性理论分析
• 3.4.2 折射率特性实验研究
• 3.5 长周期光纤光栅（LPFG）的横向负载传感
• 3.5.1 横向负载特性理论分析
• 3.5.2 横向负载特性实验研究
• 3.6 长周期光纤光栅的温度补偿技术
• 3.6.1 温度补偿方法
• 3.6.2 温度补偿实验
• 3.6.3 其他温度补偿方法
• 3.7 本章小结
• 第四章 长周期光纤光栅振动信号监测
• 4.1 薄板振动的微分方程
• 4.2 长周期光纤光栅振动信号监测传感器
• 4.2.1 动态信号监测原理
• 4.2.2 长周期光纤光栅动态信号监测系统
• 4.2.3 长周期光纤光栅动态信号的解调方案
• 4.2.4 系统最优工作点的确定
• 4.3 薄板结构振动信号的采集
• 4.4 分布式振动信号采集系统
• 4.5 具有自动跟随功能的振动信号监测系统
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于小波包能量谱分析的结构损伤识别
• 5.1 板结构ANSYS 分析
• 5.2 小波包理论分析
• 5.2.1 小波分析
• 5.2.2 小波包分析
• 5.3 信号的能量特征指标提取
• 5.3.1 小波基的选取
• 5.3.2 小波分解阶数和小波包分解尺度的选取
• 5.3.3 特征指标的提取
• 5.4 板结构的小波包能量谱分析
• 5.4.1 同一位置不同程度的损伤
• 5.4.2 不同位置相同程度的损伤
• 5.5 本章小结
• 第六章 长周期光纤光栅土木工程结构耐久性健康监测
• 6.1 混凝土结构中的钢筋锈蚀
• 6.1.1 钢筋锈蚀机理
• 6.1.2 钢筋锈蚀过程
• 6.2 混凝土结构中钢筋锈蚀监测方法
• 6.3 实验方法确定
• 6.3.1 钢筋锈蚀方法的确定
• 6.3.2 混凝土中钢筋锈蚀率的测量
• 6.4 基于LPFG 折射率特性的钢筋锈蚀监测
• 6.4.1 传感器设计
• 6.4.2 实验室环境实验
• 6.4.3 双光栅测量
• 6.4.4 实验讨论
• 6.5 基于LPFG 微弯特性的钢筋锈蚀监测
• 6.5.1 传感器设计及封装
• 6.5.2 实验室环境实验
• 6.5.3 混凝土埋入实验
• 6.5.4 实验讨论
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文的主要工作
• 7.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文