基于光纤光栅的索力传感器的研制与应用

论文摘要

在土木工程结构健康监测领域,各类基于光纤光栅的传感器成为应用前景最好的核心传感元件之一。相对应传统索力传感器而言,光纤光栅索力传感器具有重量轻、体积小及不受电磁干扰等优点,并且光纤光栅索力传感器尤为适用于恶劣环境中的长期实时监测中,其前景最具发展潜力。然而目前光纤光栅传感技术在国内还是较多地停留在实验室研究阶段。基于以上背景,依托于大连市体育馆结构健康监测项目,本课题开展了这一技术在土木工程领域实际工程的应用研究。本文对光纤布拉格光栅传感技术进行了深入的理论研究与分析,创新地提出光纤光栅索力传感器,研制出新型的光纤光栅索力传感器,并应用在大连市体育馆缆索索力监测项目中,得到了良好的经济效益和社会效益。本论文的结构如下：第一章为绪论。回顾了缆索索力长期监测技术的国内外研究现状,叙述各种测试方法及其优缺点,探讨光纤光栅传感在缆索索力监测中的可行性。重点介绍了光纤光栅传感器的优点与发展状态,指出了张力结构缆索索力监测的重要目的与意义,提出了本文的研究方向与内容。第二章讲述了光纤光栅智能材料的传感机理。基于摩擦端承桩原理,自行开发了微型光纤光栅应变传感器,通过标定试验验证了传感器的应变特性。通过调节封装工艺中的参数,可以改变传感器的应变灵敏度系数,不仅有效保护了裸光纤光栅,而且可以根据实际工程的需要改变光纤光栅传感器的增减敏系数。第三章主要内容为新型光纤光栅索力传感器的研制。根据传感器设计原则,针对裸光纤光栅对于应变的灵敏度远远高于其对于压力的灵敏度的特点,开发了一种基于两端夹持式的光纤光栅索力传感器,通过测量缆索锚头表面应变的方式间接测量缆索索力,对传感器的标定试验结果显示,这种光纤光栅索力传感器的线性相关度良好。最后对消除该传感器的偏心受拉和温度补偿提出了相应的改进方案。第四章介绍了光纤光栅索力传感器在大连体育馆缆索索力监测项目中的应用。详细介绍了传感器的布设方案、缆索张拉方案以及光纤光栅索力传感器对张拉过程的监测分析。通过对监测结果的分析,初步掌握了张力结构缆索的工作状态规律,为以缆索为主要受力构件的大型结构的安全监测、维护及其缆索部件的设计提供了宝贵的参考资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 概况
• 1.1.2 研究的目的及意义
• 1.2 缆索索力长期监测技术的国内外研究现状
• 1.2.1 油压表法
• 1.2.2 电测法
• 1.2.3 频率法
• 1.2.4 磁通量法
• 1.2.5 基于FBG的索力测试方法
• 1.3 性能优越的光纤光栅传感器
• 1.4 光纤光栅传感器的工程应用现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 光纤光栅传感器的开发
• 2.1 光纤光栅智能材料的传感机理
• 2.1.1 光纤的基本结构与传输原理
• 2.1.2 光纤光栅的模式理论
• 2.2 微型光纤光栅应变传感器
• 2.2.1 基于摩擦端承桩微型光纤光栅应变传感器的工作原理
• 2.2.2 传感器标定试验及结果
• 2.3 本章小结
• 3 新型光纤光栅索力传感器的研制
• 3.1 索力传感器的设计原则
• 3.2 光纤光栅索力传感器的结构
• 3.3 光纤光栅索力传感器的传感原理
• 3.4 光纤光栅索力传感器的温度补偿研究
• 3.4.1 温度补偿原理
• 3.4.2 光纤光栅索力传感器双光栅温度补偿的试验研究
• 3.5 数值模拟及缆索模型试验研究
• 3.5.1 缆索锚头数值模拟
• 3.5.2 传感器测点的布设
• 3.5.3 试验张拉装置与数据采集系统
• 3.5.4 试验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 4 光纤光栅索力传感器的工程应用
• 4.1 工程概况
• 4.2 缆索索力监测系统
• 4.3 新型光纤光栅索力传感器的布设与安装工艺
• 4.3.1 传感器的布设
• 4.3.2 传感器的安装工艺
• 4.4 新型光纤光栅索力传感器的标定
• 4.4.1 标定试验方法
• 4.4.2 标定试验结果分析
• 4.5 缆索成品运输、现场存放及安装过程中索力传感器的保护措施
• 4.6 缆索的张拉施工方案选择及张拉施工工艺
• 4.6.1 施工方案的选择
• 4.6.2 张拉径向索施工工艺
• 4.7 新型索力传感器对缆索张拉过程的监测及数据分析
• 4.7.1 张拉预紧监测
• 4.7.2 张拉全程监测
• 4.7.3 张拉过程分析
• 4.7.4 突发事件监测与处理
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢