光纤光栅传感器在地铁车站结构健康监测中的应用研究

论文摘要

光纤传感器具有优良的传感特性和众多的优点,是近年来迅速发展起来的一种新型传感器,在传感领域有着良好的应用前景。本文针对光纤布拉格光栅传感器在地铁车站结构健康监测中的应用进行了研究,主要工作如下:研究了光纤布拉格光栅传感器的封装技术,采用复合材料以及合适的封装结构对光纤布拉格光栅应变传感器进行封装,实现了对布拉格光栅的有效保护。拉伸试验和疲劳性能试验结果显示复合材料封装光纤布拉格光栅应变传感器具有较高的灵敏度和良好的线性度及耐久性能。将复合材料封装光纤布拉格光栅应变传感器埋入钢筋混凝土梁进行破坏试验,与电阻应变片测量结果进行对比,监测结果显示,封装光纤布拉格光栅应变传感器传感性能良好,适合用于土木结构内部的应变监测。建立了基于光纤光栅传感技术的国贸地铁车站结构健康监测硬件系统;利用参考光栅法实现了对光纤布拉格光栅应变传感器的温度补偿;利用波分复用技术建立光纤布拉格光栅传感网络,实现了分布式测量。以地铁车站模型为基础,对光纤布拉格光栅传感器的优化布设进行了研究,分别从静力学和动力学角度(EI法)对传感器进行了优化布设,最后综合静力学和动力学方法实现了光纤光栅传感器在地铁车站中的优化布设。在VB和Microsoft Access软件平台下运用VB中的Winsock控件(TCP协议)及ADO数据访问接口实现监测数据的采集与处理,建立了国贸桥地铁车站结构健康监测软件系统,实现了大量传感器数据的采集、实时数据与曲线显示、数据库存储、历史数据查询,其中采集到的数据直接为温度值和应变值,避免了解调仪配套通用软件只能采集波长值的局限性。对施工期车站结构温度和应变进行了监测,监测结果表明,施工期结构处于正常状态。分析了目前各种结构损伤识别与安全评定的方法,由于结构整体健康监测方法存在种种缺陷和不足,因此在软件系统中采用了基于结构局部响应的损伤识别与安全评定方法对国贸地铁车站进行实时在线的损伤判断与安全评定。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的背景及意义
• 1.2 光纤及光纤传感技术
• 1.2.1 光纤的基本结构
• 1.2.2 光纤传感器及光纤布拉格光栅
• 1.3 光纤布拉格光栅监测系统
• 1.3.1 监测系统的基本组成
• 1.3.2 布拉格光栅传感网络的组建
• 1.4 光纤传感技术在土木结构健康监测中的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 光纤布拉格光栅传感原理及性能测试
• 2.1 光纤布拉格光栅传感原理
• 2.2 光纤布拉格光栅灵敏系数
• 2.2.1 光纤布拉格光栅应变灵敏系数测定
• 2.2.2 光纤布拉格光栅温度灵敏系数测定
• 2.3 光纤光栅测量应变时的温度补偿
• 2.4 本章小结
• 3 封装光纤布拉格光栅传感器及其性能研究
• 3.1 光纤布拉格光栅的复合材料封装
• 3.2 复合材料封装光纤布拉格光栅性能测试
• 3.2.1 复合材料封装布拉格光栅应变灵敏系数测定
• 3.2.2 复合材料封装布拉格光栅疲劳性能测试
• 3.3 光纤布拉格光栅监测钢筋混凝土梁应变
• 3.3.1 钢筋混凝土梁的制作
• 3.3.2 钢筋混凝土梁破坏试验
• 3.4 本章小结
• 4 北京地铁国贸站结构健康监测系统
• 4.1 北京地铁国贸站介绍
• 4.2 监测目的和内容
• 4.3 光纤光栅传感器在地铁车站中的优化布设
• 4.3.1 传感器优化布设基本原则
• 4.3.2 基于静力学方法的传感器优化布设
• 4.3.3 结构健康监测中传感器优化布设动力学方法
• 4.3.4 基于有效独立法（EI法）的传感器优化布设
• 4.3.5 传感器最终布设方案
• 4.4 监测系统硬件组成
• 4.5 光纤光栅传感器网络构建
• 4.6 本章小结
• 5 北京地铁国贸站健康监测系统软件设计
• 5.1 软件系统介绍
• 5.2 开发环境的选择
• 5.3 基于VB与Access数据库的数据采集软件开发
• 5.3.1 总体设计
• 5.3.2 数据采集部分
• 5.3.3 数据库部分
• 5.4 车站施工期数据监测与分析
• 5.5 结构损伤识别与安全评定
• 5.5.1 基于结构整体响应的损伤识别与安全评定
• 5.5.2 基于结构局部响应的损伤识别与安全评定
• 5.6 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集