光纖光柵傳感應(yīng)用問題深度解析

前言

第1章 緒論

第2章 光纖光柵傳感理論與傳感元件設(shè)計(jì)

第3章 光纖光柵傳感器應(yīng)變標(biāo)定常見問題分析與處理

第4章 光纖光柵動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間與可測頻率計(jì)算

第5章 應(yīng)變傳遞相關(guān)理論與計(jì)算

第6章 FBG-GFRP智能筋常見問題分析與計(jì)算

第7章 光纖光柵傳感元件溫度補(bǔ)償技術(shù)與溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

第8章 實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)分析與處理

《光纖光柵傳感應(yīng)用問題解析》從光纖光柵傳感器的基本理論出發(fā)，對光纖光柵傳感元件在設(shè)計(jì)、安裝和使用過程中可能遇到的問題進(jìn)行了分析探討。具體內(nèi)容包括：光纖光柵的基本理論；光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)與制作；光纖光柵傳感器應(yīng)變標(biāo)定的常見問題分析與處理；光纖光柵傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析計(jì)算；光纖光柵傳感器可測頻率范圍計(jì)算方法；應(yīng)變傳遞誤差理論分析與計(jì)算方法；光纖光柵傳感元件溫度補(bǔ)償技術(shù)與溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算；FBC-GFRP智能筋設(shè)計(jì)與使用過程中的常見問題分析；使用光纖光柵傳感器時(shí)的數(shù)據(jù)分析與處理方法。

《光纖光柵傳感應(yīng)用問題解析》注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，既有光纖光柵傳感器試驗(yàn)也有現(xiàn)場監(jiān)測的典型案例，可作為高等院校土木工程、光學(xué)工程專業(yè)教師、研究生和高年級本科生的參考書，也可供從事光纖傳感器技術(shù)的研究與開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的科研人員和工程技術(shù)人員參考。

具體內(nèi)容包括：光纖光柵的基本理論；光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)與制作；光纖光柵傳感器應(yīng)變標(biāo)定的常見問題分析與處理；光纖光柵傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析計(jì)算；光纖光柵傳感器可測頻率范圍計(jì)算方法；應(yīng)變傳遞誤差理論分析與計(jì)算方法；光纖光柵傳感元件溫度補(bǔ)償技術(shù)與溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算；FBC-GFRP智能筋設(shè)計(jì)與使用過程中的常見問題分析；使用光纖光柵傳感器時(shí)的數(shù)據(jù)分析與處理方法?！豆饫w光柵傳感應(yīng)用問題解析》注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，既有光纖光柵傳感器試驗(yàn)也有現(xiàn)場監(jiān)測的典型案例，可作為高等院校土木工程、光學(xué)工程專業(yè)教師、研究生和高年級本科生的參考書，也可供從事光纖傳感器技術(shù)的研究與開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的科研人員和工程技術(shù)人員參考。本書由孫麗著。

前言

第1章 緒論

1.1 大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性

1.2 光纖光柵傳感器的優(yōu)越性

1.2.1 光纖光柵傳感器系統(tǒng)的組成

1.2.2 光纖光柵傳感器的特點(diǎn)

1.3 光纖光柵傳感器在健康監(jiān)測中的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

第2章 光纖光柵傳感理論與傳感元件設(shè)計(jì)

2.1 光纖光柵傳感理論

2.2 光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.2.1 基本原則

2.2.2 實(shí)際工程中光纖光柵傳感器的要求

2.2.3 設(shè)計(jì)流程

2.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器制作與標(biāo)定

2.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)與封裝工藝

2.3.2 管式封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度特性

2.3.3 管式封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4 光纖光柵鋼管封裝溫度傳感器

2.4.1 傳感器的封裝結(jié)構(gòu)

2.4.2 封裝材料選擇

2.4.3 封裝工藝

2.4.4 溫度傳感器標(biāo)定

參考文獻(xiàn)

第3章 光纖光柵傳感器應(yīng)變標(biāo)定常見問題分析與處理

3.1 應(yīng)用等強(qiáng)度梁的應(yīng)變標(biāo)定誤差分析與修正

3.1.1 等強(qiáng)度梁工作原理

3.1.2 力學(xué)分析

3.1.3 計(jì)算結(jié)果與標(biāo)定

3.1.4 采用萬能試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變標(biāo)定

3.2 不同“基體”材料上的應(yīng)變靈敏度系數(shù)標(biāo)定

3.3 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 光纖光柵動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間與可測頻率計(jì)算

4.1 引言

4.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)種類

4.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

4.3.1 應(yīng)變波的傳播過程

4.3.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間

4.4 光纖光柵應(yīng)變傳感器可測頻率的估計(jì)

4.5 光纖光柵應(yīng)變傳感器在低頻振動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.5.1 模型設(shè)計(jì)

4.5.2 傳感器布置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.5.3 動(dòng)荷載試驗(yàn)

4.5.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 應(yīng)變傳遞相關(guān)理論與計(jì)算

5.1 引言

5.2 光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞理論研究現(xiàn)狀

5.3 考慮溫度與埋設(shè)角度的應(yīng)變傳遞分析

5.3.1 基本假設(shè)

5.3.2 理論分析

5.3.3 有限元計(jì)算

5.3.4 應(yīng)變傳遞誤差分析

5.4 影響應(yīng)變傳遞的參數(shù)分析

5.5 幾種埋人式光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳遞計(jì)算公式比較

5.5.1 基本假設(shè)的對比

5.5.2 光纖應(yīng)變計(jì)算公式及其分析模型的對比

5.5.3 計(jì)算結(jié)果的對比

5.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章 FBC-GFRP智能筋常見問題分析與計(jì)算

6.1 引言

6.2 FBC-GFRP智能筋設(shè)計(jì)

6.3 FBC-GFRP智能筋溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

6.3.1 編制溫度靈敏度計(jì)算器

6.3.2 FBG-GFRP智能筋受力的有限元分析

6.3.3 溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

6.4 FBG-GFRP智能筋溫度靈敏度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

6.5 GFRP筋受壓力學(xué)性能研究

6.5.1 GFRP筋端部加壓錨具設(shè)計(jì)

6.5.2 GFRP筋受壓力學(xué)性能試驗(yàn)

6.5.3 兩種監(jiān)測方法的試驗(yàn)結(jié)果比較

6.5.4 極限抗壓強(qiáng)度

6.5.5 破壞狀態(tài)分析

6.5.6 結(jié)論

參考文獻(xiàn)

第7章 光纖光柵傳感元件溫度補(bǔ)償技術(shù)與溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

7.1 光纖光柵溫度補(bǔ)償技術(shù)

7.1.1 光纖基本結(jié)構(gòu)與傳輸原理

7.1.2 光纖布拉格光柵溫度傳感模型

7.1.3 光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感模型

7.1.4 均勻軸向應(yīng)力作用下光纖光柵傳感模型

7.1.5 光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感的溫度補(bǔ)償技術(shù)

7.2 應(yīng)力分析法計(jì)算溫度靈敏度系數(shù)方法

7.2.1 鋼管封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

7.2.2 埋人混凝土的鋼管封裝應(yīng)變傳感器溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

7.2.3 FBG-GFRP智能筋埋人混凝土工作時(shí)的溫度靈敏度系數(shù)計(jì)算

7.3 溫度靈敏度系數(shù)近似計(jì)算方法

7.3.1 表觀溫度靈敏度系數(shù)法

7.3.2 表觀溫度靈敏度系數(shù)法應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

第8章 實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)分析與處理

8.1 鋼筋混凝土固化期收縮應(yīng)變監(jiān)測

8.1.1 試驗(yàn)采用的光纖光柵傳感器類型及其工作特性

8.1.2 傳感器布設(shè)

8.1.3 鋼筋混凝土養(yǎng)護(hù)期收縮應(yīng)變監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

8.1.4 結(jié)論

8.2 框-剪結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的破壞監(jiān)測

8.2.1 模型設(shè)計(jì)

8.2.2 試驗(yàn)加載方案

8.2.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器的布設(shè)與保護(hù)

8.2.4 光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

8.2.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

8.2.6 結(jié)論

8.3 海底懸跨管段動(dòng)力特性研究

8.3.1 模型與激勵(lì)系統(tǒng)介紹

8.3.2 傳感器布置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

8.3.3 試驗(yàn)工況

8.3.4 鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器的工作頻率計(jì)算

8.3.5 兩種應(yīng)變傳感元件試驗(yàn)結(jié)果比較

8.3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

8.3.7 結(jié)論

參考文獻(xiàn) 2100433B

自從1989年美國的Morey等人首次進(jìn)行光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感器研究以來，世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，在短短的10多年時(shí)間里光纖光柵己成為傳感領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，如航空航天、土木工程、復(fù)合材料、石油化工等領(lǐng)域。

1、土木及水利工程中的應(yīng)用

土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等，以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測，可以用計(jì)算機(jī)對傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2、在橋梁安全監(jiān)測中的應(yīng)用

目前， 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系，如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎(chǔ)上的安全分析評估具有重大意義。

加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一(1993 年)， 16 個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測， 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋， 德累斯頓大學(xué)的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中， 測量荷載下的基本線性響應(yīng)， 并且用常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了對比試驗(yàn)， 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中， 使用了32個(gè)光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測， 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。

2003年6月，同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測項(xiàng)目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。

施工情況：整個(gè)檢測項(xiàng)目的實(shí)施主要包括傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)分析三大步。在盧浦大橋選定的端面上布設(shè)了8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個(gè)光纖光柵溫度傳感器，其中8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個(gè)溫度傳感器串接為1路，然后通過光纖傳輸?shù)綐蚬芩?，?shí)現(xiàn)大橋的集中管理。數(shù)據(jù)測量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來確定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，完成橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試。

3、在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用

1989年，美國Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中， 并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后， 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時(shí)所遇到的一個(gè)非常棘手的問題是： 如何才能在混凝土澆搗時(shí)避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫于普通單模通訊光纖上， 其質(zhì)地脆， 易斷裂， 為適應(yīng)土木工程施工粗放性的特點(diǎn)， 在將其作為傳感器測量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。

一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應(yīng)變傳感器的光纖線路后， 將混凝土應(yīng)變傳感器用鐵絲等按照預(yù)定位置固定在鋼筋籠中， 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對粘貼式鋼筋應(yīng)變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護(hù)。

4、在水位遙測中的應(yīng)用

在光纖光柵技術(shù)平臺(tái)上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。傳感器的精度可以到達(dá)±0.1%F·S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長的光信號(hào)。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì)拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會(huì)隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。

5、在公路健康檢測中的應(yīng)用

公路健康監(jiān)測必要性：交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。而破壞一般都是因?yàn)槠嚦d，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過程以及使用過程中進(jìn)行健康檢測是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。