基于光纤光栅的桥梁多参数传感技术及系统的研究

论文摘要

近年来,光纤Bragg光栅（FBG）在光纤传感和光纤通信中的应用研究引起了人们极大关注。FBG传感器由于具有不受电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高、易于复用、重量轻、结构紧凑,易于光纤连接,实现波长绝对编码及可以把多个传感器利用各种复用技术连接成传感网络,埋入材料和结构内部或贴装在其表面,实现对其特性的多点监测等优点,所以FBG传感器在大型建筑和油井等特殊场合的安全监测方面具有极为广泛的应用前景。本文主要对基于FBG的桥梁多参数传感技术及系统设计进行了理论和实验研究,具体内容包括:从FBG的模式耦合理论出发,分别推证了其温度和应变传感模型,并详细分析了相关参数对反射谱的影响;针对应变和温度交叉敏感问题,提出了温度补偿原理和方法;为了解决FBG的长期稳定性问题,通过理论分析和实验研究得出其最佳退火参数。从土木工程应用的实际情况出发,基于FBG传感特性设计了工程化FBG光纤传感器,对其传感特性进行了实验研究。研究了FBG传感器的布设工艺,并将其在桥梁结构中进行了实际应用。结果表明所设计的工程化FBG传感器在灵敏度和稳定性方面均能满足工程长期监测的需要。FBG解调系统的研究是本课题研究的重要部分之一,在比较分析各种分布式光纤光栅传感系统的解调方案的基础上,提出了基于连续波调频技术的波长扫描解调方法,从实用的角度出发,采用宽带光源与光纤F-P腔可调谐滤波器组合的方法,设计了可调窄带光源,不仅保证了系统所需的调谐范围,又获得了较高信噪比。在FBG传感网络复用方面,提出了将光频域反射复用（OFDR）技术与波分复用（WDM）技术相结合的方法,实现分布式FBG传感网络的寻址,提高了FBG的复用容量。实验表明所设计的解调系统具有解调速度快,稳定性好的优点。在上述研究的基础上,设计了基于FBG传感器的多参数桥梁测量系统,编制了数据采集和处理软件,并将所设计的FBG传感系统成功用于斜拉桥施工阶段及成桥的监测,现场监测效果证明所设计的工程化FBG传感器可以长期有效监测钢筋混凝土结构的应变与温度变化,且性能稳定,是一种有效的结构监测敏感元件。所设计的FBG传感系统不仅准确监测结构重要部位的内部应变及车流量等参数,为桥梁结构的静、动载测试提供了准确的数据,同时也为桥梁的工作状态评估和健康诊断提供依据。从桥梁施工、竣工、运营的两年多时间里FBG桥梁监测系统表现出良好的稳定性和耐久性,能够满足钢筋混凝土桥梁结构长期监测要求,具有为健康诊断提供连续、准确信息的能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 桥梁结构监测传感元件的应用研究
• 1.2.1 结构监测传感元件的性能要求
• 1.2.2 几种传感元件性能比较
• 1.3 光纤光栅的发展及分类
• 1.3.1 光纤光栅的发展
• 1.3.2 光纤光栅的分类
• 1.4 FBG 桥梁监测技术研究现状及主要技术难点
• 1.4.1 研究现状
• 1.4.2 主要技术难点
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 光纤光栅传感原理及特性分析
• 2.1 光纤光栅理论分析
• 2.1.1 光纤光栅的模式耦合理论
• 2.1.2 Bragg 光栅特性分析
• 2.2 FBG 均匀轴向应变传感模型
• 2.3 FBG 温度传感模型
• 2.4 交叉敏感特性
• 2.5 FBG 应变和温度传感特性实验研究
• 2.5.1 应变传感实验研究
• 2.5.2 FBG 温度传感实验研究
• 2.6 FBG 退火及稳定性评价
• 2.6.1 FBG 衰变模型
• 2.6.2 FBG 退火实验
• 2.7 本章小结
• 第3章 工程化光纤光栅传感器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 工程化FBG 传感器设计准则和设计方法
• 3.2.1 设计准则
• 3.2.2 设计方法
• 3.3 FBG 应变传感器的设计
• 3.3.1 应变传递分析
• 3.3.2 结构设计
• 3.3.3 性能测试
• 3.4 FBG 温度传感器的设计
• 3.4.1 结构设计
• 3.4.2 性能测试
• 3.5 FBG 加速度传感器的设计
• 3.5.1 结构设计及工作原理
• 3.5.2 小波消噪技术的应用
• 3.6 本章小结
• 第4章 FBG 传感网络解调系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 分布式 FBG 复用及解调原理
• 4.2.1 FBG 复用技术
• 4.2.2 FBG 信号解调技术
• 4.3 FBG 传感网络解调系统设计
• 4.3.1 解调系统总体结构
• 4.3.2 解调系统技术分析
• 4.3.3 光源设计
• 4.3.4 调制系统模块设计
• 4.3.5 信号检测调理模块设计
• 4.4 数据采集与处理模块设计
• 4.5 FBG 传感网络解调系统实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 FBG 传感器在桥梁状态监测中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 桥梁工况及监测内容
• 5.2.1 桥梁工况
• 5.2.2 桥梁状态监测系统主要监测内容
• 5.3 FBG 传感器在斜拉桥施工中的应用
• 5.3.1 斜拉桥索力在线监测
• 5.3.2 钢筋混凝土梁固化期收缩温度应变监测
• 5.3.3 箱形梁预应力张拉过程监测
• 5.4 FBG 传感器在斜拉桥静载试验中的应用
• 5.4.1 静载试验工况
• 5.4.2 主梁及主塔应力数据分析
• 5.5 FBG 传感器在斜拉桥动载试验中的应用
• 5.5.1 动载应变测试断面
• 5.5.2 动载试验及数据分析
• 5.6 FBG 传感器在斜拉桥主梁温度监测中的应用
• 5.7 斜拉桥运营阶段应变监测
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介