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　　【摘要】： 近年來,光纖Bragg光柵(FBG)在光纖傳感和光纖通信中的應用研究引起了人們極大關注。FBG傳感器由于具有不受電磁干擾、信號帶寬大、靈敏度高、易于復用、重量輕、結構緊湊,易于光纖連接,實現波長絕對編碼及可以把多個傳感器利用各種復用技術連接成傳感網絡,埋入材料和結構內部或貼裝在其表面,實現對其特性的多點監測等優點,所以FBG傳感器在大型建筑和油井等特殊場合的安全監測方面具有極為廣泛的應用前景。本文主要對基于FBG的橋梁多參數傳感技術及系統設計進行了理論和實驗研究,具體內容包括: 從FBG的模式耦合理論出發,分別推證了其溫度和應變傳感模型,并詳細分析了相關參數對反射譜的影響;針對應變和溫度交叉敏感問題,提出了溫度補償原理和方法;為了解決FBG的長期穩定性問題,通過理論分析和實驗研究得出其最佳退火參數。 從土木工程應用的實際情況出發,基于FBG傳感特性設計了工程化FBG光纖傳感器,對其傳感特性進行了實驗研究。研究了FBG傳感器的布設工藝,并將其在橋梁結構中進行了實際應用。結果表明所設計的工程化FBG傳感器在靈敏度和穩定性方面均能滿足工程長期監測的需要。 FBG解調系統的研究是本課題研究的重要部分之一,在比較分析各種分布式光纖光柵傳感系統的解調方案的基礎上,提出了基于連續波調頻技術的波長掃描解調方法,從實用的角度出發,采用寬帶光源與光纖F-P腔可調諧濾波器組合的方法,設計了可調窄帶光源,不僅保證了系統所需的調諧范圍,又獲得了較高信噪比。在FBG傳感網絡復用方面,提出了將光頻域反射復用(OFDR)技術與波分復用(WDM)技術相結合的方法,實現分布式FBG傳感網絡的尋址,提高了FBG的復用容量。實驗表明所設計的解調系統具有解調速度快,穩定性好的優點。 在上述研究的基礎上,設計了基于FBG傳感器的多參數橋梁測量系統,編制了數據采集和處理軟件,并將所設計的FBG傳感系統成功用于斜拉橋施工階段及成橋的監測,現場監測效果證明所設計的工程化FBG傳感器可以長期有效監測鋼筋混凝土結構的應變與溫度變化,且性能穩定,是一種有效的結構監測敏感元件。所設計的FBG傳感系統不僅準確監測結構重要部位的內部應變及車流量等參數,為橋梁結構的靜、動載測試提供了準確的數據,同時也為橋梁的工作狀態評估和健康診斷提供依據。從橋梁施工、竣工、運營的兩年多時間里FBG橋梁監測系統表現出良好的穩定性和耐久性,能夠滿足鋼筋混凝土橋梁結構長期監測要求,具有為健康診斷提供連續、準確信息的能力。 【關鍵詞】：工程化光纖光柵傳感器 模耦合理論 分布式光纖光柵傳感網絡 信號解調 結構監測
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：TP212
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.200765
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 橋梁結構監測傳感元件的應用研究15-19
• 1.2.1 結構監測傳感元件的性能要求15
• 1.2.2 幾種傳感元件性能比較15-19
• 1.3 光纖光柵的發展及分類19-23
• 1.3.1 光纖光柵的發展19-20
• 1.3.2 光纖光柵的分類20-23
• 1.4 FBG 橋梁監測技術研究現狀及主要技術難點23-26
• 1.4.1 研究現狀23-25
• 1.4.2 主要技術難點25-26
• 1.5 本文主要研究內容26-28
• 第2章 光纖光柵傳感原理及特性分析28-45
• 2.1 光纖光柵理論分析28-34
• 2.1.1 光纖光柵的模式耦合理論28-30
• 2.1.2 Bragg 光柵特性分析30-34
• 2.2 FBG 均勻軸向應變傳感模型34-36
• 2.3 FBG 溫度傳感模型36-37
• 2.4 交叉敏感特性37-39
• 2.5 FBG 應變和溫度傳感特性實驗研究39-41
• 2.5.1 應變傳感實驗研究39-40
• 2.5.2 FBG 溫度傳感實驗研究40-41
• 2.6 FBG 退火及穩定性評價41-44
• 2.6.1 FBG 衰變模型41-42
• 2.6.2 FBG 退火實驗42-44
• 2.7 本章小結44-45
• 第3章 工程化光纖光柵傳感器的設計45-65
• 3.1 引言45-46
• 3.2 工程化FBG 傳感器設計準則和設計方法46-47
• 3.2.1 設計準則46
• 3.2.2 設計方法46-47
• 3.3 FBG 應變傳感器的設計47-55
• 3.3.1 應變傳遞分析47-52
• 3.3.2 結構設計52-53
• 3.3.3 性能測試53-55
• 3.4 FBG 溫度傳感器的設計55-59
• 3.4.1 結構設計56-57
• 3.4.2 性能測試57-59
• 3.5 FBG 加速度傳感器的設計59-64
• 3.5.1 結構設計及工作原理59-62
• 3.5.2 小波消噪技術的應用62-64
• 3.6 本章小結64-65
• 第4章 FBG 傳感網絡解調系統設計65-91
• 4.1 引言65
• 4.2 分布式 FBG 復用及解調原理65-72
• 4.2.1 FBG 復用技術66-68
• 4.2.2 FBG 信號解調技術68-72
• 4.3 FBG 傳感網絡解調系統設計72-81
• 4.3.1 解調系統總體結構72-73
• 4.3.2 解調系統技術分析73-76
• 4.3.3 光源設計76-77
• 4.3.4 調制系統模塊設計77-79
• 4.3.5 信號檢測調理模塊設計79-81
• 4.4 數據采集與處理模塊設計81-87
• 4.5 FBG 傳感網絡解調系統實驗87-90
• 4.6 本章小結90-91
• 第5章 FBG 傳感器在橋梁狀態監測中的應用91-116
• 5.1 引言91
• 5.2 橋梁工況及監測內容91-93
• 5.2.1 橋梁工況91-92
• 5.2.2 橋梁狀態監測系統主要監測內容92-93
• 5.3 FBG 傳感器在斜拉橋施工中的應用93-103
• 5.3.1 斜拉橋索力在線監測93-96
• 5.3.2 鋼筋混凝土梁固化期收縮溫度應變監測96-101
• 5.3.3 箱形梁預應力張拉過程監測101-103
• 5.4 FBG 傳感器在斜拉橋靜載試驗中的應用103-107
• 5.4.1 靜載試驗工況103-104
• 5.4.2 主梁及主塔應力數據分析104-107
• 5.5 FBG 傳感器在斜拉橋動載試驗中的應用107-113
• 5.5.1 動載應變測試斷面107
• 5.5.2 動載試驗及數據分析107-113
• 5.6 FBG 傳感器在斜拉橋主梁溫度監測中的應用113-114
• 5.7 斜拉橋運營階段應變監測114-115
• 5.8 本章小結115-116
• 結論116-118
• 參考文獻118-126
• 攻讀博士學位期間承擔的科研任務與主要成果126-127
• 致謝127-128
• 作者簡介128