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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(yīng)用研究引起了人們極大關(guān)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(jié)構(gòu)緊湊,易于光纖連接,實現(xiàn)波長絕對編碼及可以把多個傳感器利用各種復用技術(shù)連接成傳感網(wǎng)絡(luò),埋入材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部或貼裝在其表面,實現(xiàn)對其特性的多點監(jiān)測等優(yōu)點,所以FBG傳感器在大型建筑和油井等特殊場合的安全監(jiān)測方面具有極為廣泛的應(yīng)用前景。本文主要對基于FBG的橋梁多參數(shù)傳感技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計進行了理論和實驗研究,具體內(nèi)容包括: 從FBG的模式耦合理論出發(fā),分別推證了其溫度和應(yīng)變傳感模型,并詳細分析了相關(guān)參數(shù)對反射譜的影響;針對應(yīng)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(wěn)定性問題,通過理論分析和實驗研究得出其最佳退火參數(shù)。 從土木工程應(yīng)用的實際情況出發(fā),基于FBG傳感特性設(shè)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(shè)工藝,并將其在橋梁結(jié)構(gòu)中進行了實際應(yīng)用。結(jié)果表明所設(shè)計的工程化FBG傳感器在靈敏度和穩(wěn)定性方面均能滿足工程長期監(jiān)測的需要。 FBG解調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)的解調(diào)方案的基礎(chǔ)上,提出了基于連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)的波長掃描解調(diào)方法,從實用的角度出發(fā),采用寬帶光源與光纖F-P腔可調(diào)諧濾波器組合的方法,設(shè)計了可調(diào)窄帶光源,不僅保證了系統(tǒng)所需的調(diào)諧范圍,又獲得了較高信噪比。在FBG傳感網(wǎng)絡(luò)復用方面,提出了將光頻域反射復用(OFDR)技術(shù)與波分復用(WDM)技術(shù)相結(jié)合的方法,實現(xiàn)分布式FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的尋址,提高了FBG的復用容量。實驗表明所設(shè)計的解調(diào)系統(tǒng)具有解調(diào)速度快,穩(wěn)定性好的優(yōu)點。 在上述研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于FBG傳感器的多參數(shù)橋梁測量系統(tǒng),編制了數(shù)據(jù)采集和處理軟件,并將所設(shè)計的FBG傳感系統(tǒng)成功用于斜拉橋施工階段及成橋的監(jiān)測,現(xiàn)場監(jiān)測效果證明所設(shè)計的工程化FBG傳感器可以長期有效監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與溫度變化,且性能穩(wěn)定,是一種有效的結(jié)構(gòu)監(jiān)測敏感元件。所設(shè)計的FBG傳感系統(tǒng)不僅準確監(jiān)測結(jié)構(gòu)重要部位的內(nèi)部應(yīng)變及車流量等參數(shù),為橋梁結(jié)構(gòu)的靜、動載測試提供了準確的數(shù)據(jù),同時也為橋梁的工作狀態(tài)評估和健康診斷提供依據(jù)。從橋梁施工、竣工、運營的兩年多時間里FBG橋梁監(jiān)測系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和耐久性,能夠滿足鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測要求,具有為健康診斷提供連續(xù)、準確信息的能力。 【關(guān)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(wǎng)絡(luò) 信號解調(diào) 結(jié)構(gòu)監(jiān)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(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感元件的應(yīng)用研究15-19
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)監(jiān)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(fā)展及分類19-23
• 1.3.1 光纖光柵的發(fā)展19-20
• 1.3.2 光纖光柵的分類20-23
• 1.4 FBG 橋梁監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及主要技術(shù)難點23-26
• 1.4.1 研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4.2 主要技術(shù)難點25-26
• 1.5 本文主要研究內(nèi)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(yīng)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(yīng)變和溫度傳感特性實驗研究39-41
• 2.5.1 應(yīng)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(wěn)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(jié)44-45
• 第3章 工程化光纖光柵傳感器的設(shè)計45-65
• 3.1 引言45-46
• 3.2 工程化FBG 傳感器設(shè)計準則和設(shè)計方法46-47
• 3.2.1 設(shè)計準則46
• 3.2.2 設(shè)計方法46-47
• 3.3 FBG 應(yīng)變傳感器的設(shè)計47-55
• 3.3.1 應(yīng)變傳遞分析47-52
• 3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計52-53
• 3.3.3 性能測試53-55
• 3.4 FBG 溫度傳感器的設(shè)計55-59
• 3.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計56-57
• 3.4.2 性能測試57-59
• 3.5 FBG 加速度傳感器的設(shè)計59-64
• 3.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理59-62
• 3.5.2 小波消噪技術(shù)的應(yīng)用62-64
• 3.6 本章小結(jié)64-65
• 第4章 FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計65-91
• 4.1 引言65
• 4.2 分布式 FBG 復用及解調(diào)原理65-72
• 4.2.1 FBG 復用技術(shù)66-68
• 4.2.2 FBG 信號解調(diào)技術(shù)68-72
• 4.3 FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計72-81
• 4.3.1 解調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)72-73
• 4.3.2 解調(diào)系統(tǒng)技術(shù)分析73-76
• 4.3.3 光源設(shè)計76-77
• 4.3.4 調(diào)制系統(tǒng)模塊設(shè)計77-79
• 4.3.5 信號檢測調(diào)理模塊設(shè)計79-81
• 4.4 數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計81-87
• 4.5 FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)實驗87-90
• 4.6 本章小結(jié)90-91
• 第5章 FBG 傳感器在橋梁狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用91-116
• 5.1 引言91
• 5.2 橋梁工況及監(jiān)測內(nèi)容91-93
• 5.2.1 橋梁工況91-92
• 5.2.2 橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容92-93
• 5.3 FBG 傳感器在斜拉橋施工中的應(yīng)用93-103
• 5.3.1 斜拉橋索力在線監(jiān)測93-96
• 5.3.2 鋼筋混凝土梁固化期收縮溫度應(yīng)變監(jiān)測96-101
• 5.3.3 箱形梁預應(yīng)力張拉過程監(jiān)測101-103
• 5.4 FBG 傳感器在斜拉橋靜載試驗中的應(yīng)用103-107
• 5.4.1 靜載試驗工況103-104
• 5.4.2 主梁及主塔應(yīng)力數(shù)據(jù)分析104-107
• 5.5 FBG 傳感器在斜拉橋動載試驗中的應(yīng)用107-113
• 5.5.1 動載應(yīng)變測試斷面107
• 5.5.2 動載試驗及數(shù)據(jù)分析107-113
• 5.6 FBG 傳感器在斜拉橋主梁溫度監(jiān)測中的應(yīng)用113-114
• 5.7 斜拉橋運營階段應(yīng)變監(jiān)測114-115
• 5.8 本章小結(jié)115-116
• 結(jié)論116-118
• 參考文獻118-126
• 攻讀博士學位期間承擔的科研任務(wù)與主要成果126-127
• 致謝127-128
• 作者簡介128