光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验

基于光纤Bragg光栅(FBG)传感原理,结合沥青混凝土路面的特点,介绍了传感器应变传感特性与设计封装结构,制作了一种用于监测沥青混凝土应变试验研究的光纤Bragg光栅传感器。通过砝码加载的方法对传感器进行标定,光纤Bragg光栅传感器的应变灵敏度系数为1.1 pm/με,封装工艺没有改变光纤光栅的应变传感特性;传感器埋入SMA-13沥青混凝土后,通过静态试验得到荷载与传感器轴向应变之间的关系为0.038 7με/N;通过ANSYS 11.0仿真传感器静态试验,得到传感器应变灵敏度修正因子η为0.928;进行了5 h动态试验,应用其监测室内车辙试验下沥青混凝土内部结构沿传感器轴向的应变,随着碾压次数的增加,轴向的应变增加。监测结果能够反映沥青混凝土内部结构应变基本变化规律,可用于沥青路面的应变监测,为道路养护决策提供了一种新方法。     

基于波纹管杠杆组合结构的光纤光栅压力传感器设计

针对井中水压高精度测量的需求,基于波纹管的压力传感特性,及悬臂梁的杠杆放大结构,设计了一种高灵敏度的光纤布拉格光栅压力传感器,通过弹性片连接的杠杆结构将压力作用下波纹管的轴向变形放大为光纤布拉格光栅的轴向应变,以实现压力的高精度测量。建立了传感器机械结构的力学模型,推导了传感器中光纤布拉格光栅中心波长变化与压力的数学表达式,并通过有限元方法对传感器的压力灵敏度进行了仿真。该传感器仿真和实验压力灵敏度分别为14.8 pm/kPa和14.1 pm/kPa。该压力传感器能够对小量程范围内的压力进行准确测量,同时可以通过改变杠杆臂长参数改变传感器的灵敏度,调整其测量量程。     

光纤Bragg光栅传感器温度和应变的双参量同时测量

分析光纤Bragg光栅传感器的温度应变交叉敏感机制，利用光栅对实现了温度和应变的双参量同时测量，有效的消除了交叉敏感对FBG型传感器测量精度的影响．     

光纤光栅压力计及其传感特性的研究

设计了一种基于悬臂梁结构的光纤布拉格光栅（FBG）压力传感器,采用应变片作为悬臂梁,将垂直压力转换成轴向应力. FBG固定在悬臂梁上,将应力转换成中心波长的漂移. 通过半导体激光器斜边检测法检测FBG波长的移动. 研究了FBG栅区长度和特征反射光谱宽度的关系,选择并制作了栅区长度为1 mm的FBGs作为传感器,确保FBG中心波长漂移时,半导体激光的波长仍在FBG的反射光谱区域内,扩大了传感器的动态范围. 在悬臂梁双侧设计了FBGs对结构,利用这对FBGs对环境温度相应系数相同的特性,消除环境温度波动对压力测量的影响. 在实验中改变FBGs对的温度,测量了它们对温度的响应并利用温度消敏算法获得传感器的温度不敏感性能. 提出了FBG压力传感器的空分复用技术,利用多个光纤耦合器和光电探头（PD）阵列组成传感网络. 上述的压力传感网络技术在边坡、基坑等土木工程结构安全监控领域具有实用价值.     

基于应变测量的隧道周边水土压力反演方法研究

周边水土压力变化是影响隧道结构安全的重要指标,但既有监测方法难以实现周边水土压力的长期准确测量.鉴于此,提出了一种基于应变测量的隧道周边水土压力反演方法.首先介绍了隧道周边水土压力的简化模型,并基于最小二乘法建立了应变-压力的反演矩阵;然后通过预埋光纤光栅传感器测量隧道结构断面的应变分布,并通过应变-压力之间的关系来反演隧道周边水土压力;最后分别通过有限元模型和隧道工程现场监测试验证明了反演的隧道周边水土压力的精度可满足工程需求.由于光纤光栅传感器在长期监测隧道结构断面的应变分布时具有的优良性能,因此通过应变-压力之间的关系反演隧道周边水土压力的方法可用于隧道周边水土压力的长期监测.     

基于FBG传感器的三维空间应变监测

目的研究基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的三维空间应变监测方法,实现FBG传感器对测点三维空间应变状态的监测.方法根据空间直角坐标系建立立方体框架,在框架内特定的方向上布设6个FBG应变传感器与1个FBG温度传感器形成三维空间FBG传感体.在所有传感器协同工作下,对测点的三维空间应变与温度进行监测.结果给出了基于FBG传感器的三维空间主应变,最大切应变及任意方向正应变的计算方法,并且根据该计算方法在Lab VIEW平台下开发了三维空间应变监测与分析系统.结论根据本监测方法制作的三维空间FBG传感体可以应用在房屋、桥梁、道路、大坝、雕塑等结构的监测当中.该传感体与相应的解调设备和所研发的应变监测与分析系统构成了完整的三维空间应变监测体系.     

单布拉格光栅光纤压力温度双参量传感器的研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器采用普通悬臂梁对非温度物理量进行测量时,存在温度交叉敏感的问题.针对该问题,提出一种基于双厚度等腰三角形的双参量传感器悬臂梁结构,通过理论分析与仿真验证了该结构的可行性,并将单FBG光栅放置于该结构厚度变化交界位置构成双光栅传感.通过光纤传感理论推导和实验系统验证了温度、压力与FBG反射光谱的双波峰共模函数值、双波峰波长差之间的关系.实验结果表明该结构可以实现压力和温度的同时测量,通过双厚度等腰三角形悬臂梁传感结构可有效解决温度交叉敏感问题.     

基于双光纤光栅的流速传感器设计

针对智慧海洋领域对海洋流速监测的要求,基于双光纤光栅能消除温度对流速的交叉灵敏度特性及悬臂梁的杠杆放大结构,设计了一种用于测量流体流速的双光纤光栅流速传感器。该传感器主要由外壳、光纤光栅测试组件及固定件组成,采用无胶化密封封装,进行了灵敏度及动态范围的测试,此外还分析了不同温度和压力对传感器性能的影响。通过高精度解调仪解调,设计的光纤流速传感器的灵敏度为76 mm/s,流速测量范围为0 ~ 1.2 m/s,且该流速传感器对温度和外界压力都不敏感,能够实现对流速单一参量的监测,可以满足油气田开采、油气输送管道、海洋河流等环境下流体测试的需求。     

基于光纤光栅传感器的混凝土梁应变检测

介绍了一种基于光纤光栅传感原理的光纤应变传感器和其测量混凝土内部应变的原理。采用GSYD-B型光纤光栅应变测量仪,利用FBG对混凝土内部应变进行了测量。通过加载条件下与应变片对比试验,验证了光栅传感器具有良好的可靠性。结果表明,这种新型光纤传感器显示了良好的传感性能,能够监测混凝土内部应变状态,发挥出成活率高、绝对值测量和寿命长等优势。     

置入FBG传感器的CFRP加固RC梁在线监测技术研究

近年来，复合材料加固混凝土结构的健康监测已引起国际工程界的广泛关注．使用埋入式布拉格光栅（FBG）传感器可以实现对复合材料加固混凝土结构应变使用状态的远程实时监测．作者首先讨论了FBG传感器埋入碳纤维复合材料（CFRP）层间的界面传递特性，通过实验验证了固化于CFRP中的FBG传感器的应变传感特性．FBG传感器被埋入到用来加固钢筋混凝土（RC）梁的CFRP层间和梁内部受拉钢筋上，通过监测FBG光栅传感器波长的变化就会得到测点的应变值．实验结果表明，FBG传感器测量值与相同位置布设的传统电阻应变片测量值具有很好的一致性，同时测量值与有限元模拟值也十分一致．     

光纤光栅传感器对预应力锚索的受力监测

预应力锚索的受力状态监测特别是锚索内应力分布的监测是目前工程领域一大难题。本文提出将准分布式光纤布拉格光栅（FBG）内嵌至锚索材料-钢绞线中心丝的技术,以实现对其受力状态及应力分布进行监测。基于此技术,结合FBG监测原理和锚索锚固理论,以锚索锚固长度、FBG布设位置及数量为主要变化参数,设计了FBG自感知钢绞线材料并将其浇筑于钢管内作为锚索模型试件;并对FBG自感知钢绞线材料进行张拉标定试验和钢管锚索拉拔试验。张拉标定试验表明,内嵌于钢绞线中心丝材料中的准分布式FBG传感器成活率为100％,应变灵敏度集中在0.0012,应变-波长的拟合度皆超过0.999。拉拔试验结果表明,内嵌式FBG传感器可有效监测全长粘结型锚索轴力分布规律;且传感器可实现对锚固段、自由段应力传递规律的定点监测;为锚索浇筑长度的设计、张拉应力的补充提供了计算依据。     

钢绞线锚夹具组装件静载试验控制系统的设计

钢绞线最大力是评价钢绞线性能的一个重要指标。本系统设计的目的在于监控钢绞线及锚夹具组装件的工作性能,系统的设计是基于C8051F350芯片,由单片机控制压力传感器和位移传感器,并采集压力及位移数据,计算锚具效率系数值和极限拉力总应变值,在LCD上显示试验参数和动态荷载与伸长量曲线图。设计了基于Visual Basic的上位机控制软件,实现了数据处理、试验曲线、试验报告的打印、保存等功能,界面友好,操作简单。     

光纤Bragg光栅锚杆应力应变监测系统

锚杆是矿山巷道的主要支护形式之一，现有锚杆支护质量检测方法无法进行远程监控、不能实现全过程监测，本文提出了采用光纤Bragg光栅传感技术进行锚杆支护质量监测的新方法。介绍了光纤Bragg光栅监测系统的工作原理及其构成，实验系统由3个Bragg光栅组成阵列，将其粘贴在长度0．6m的金属锚杆杆体表面，进行锚杆受力的检测以及与电测技术的实验室对比试验。结果表明，光纤Bragg光栅传感器具有高的测量精度，结构简单，可以实现在线实时监测。     

光纤Bragg光栅传感技术在桥梁预应力监测中的应用研究

针对桥梁预应力检测的问题,提出了采用光纤Bragg光栅(FBG)传感技术进行监测的新方案,分析了光纤Bragg光栅传感器的传感原理,进行了室内、工程现场与常规的电测技术的对比试验.结果表明:光纤Bragg光栅传感器比电检测系统传感器具有更高精度,能绝对数值测量,抗干扰能力强,结构简单,长期稳定性高,实现对工程结构的实时、在线监测.该技术在土木工程界具有广泛的应用前景.     

全长黏结岩石抗浮锚杆承载性能现场试验

抗浮锚杆具有地层适应能力强、锚固力高、造价低、工期短等优点,具有广阔的工程应用前景.开展了4组13根岩石抗浮锚杆的极限抗拔承载试验,在1根试验锚杆上安装光纤光栅应变传感器进行应力测试,所有试验锚杆均加载至极限破坏状态,从荷载-锚固体顶面位移曲线、锚筋轴力分布、锚筋剪应力分布规律及界面黏结强度等方面进行了分析.结果表明,抗浮锚杆主要出现锚筋-锚固体界面剪切滑移破坏、锚固体-周围岩体界面剪切滑移破坏及锚筋拔断3种破坏形态.试验条件下,黏结长度为2.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力为240 kN,黏结长度不小于3.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力不低于320 kN,承载力高、变形小,能够满足抗浮要求.锚筋轴力自上而下逐渐衰减,锚筋在距锚固体顶面3.0 m以下范围内不受力,建议中风化花岗岩中抗浮锚杆的黏结长度设计值取3.5～4.0 m.锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势,在距锚固体顶面0.45 m的位置达到峰值,约为2.7 MPa.锚筋-锚固体界面平均黏结强度为1.14～1.36 MPa,锚固体-岩土体界面平均黏结强度为0.28～0.37 MPa.     

智能CFRP加固RC梁荷载效应模拟与测评

将布拉格光栅光纤（FBG）传感器固化于碳纤维复合材料（CFRP）试件中,构成智能CFRP,试验结果表明：FBG传感器与CFRP相容性良好;FBG传感器与传统电阻应变片具有理想线性关系,FBG的应变传感特性精确稳定．制备4根CFRP加固RC实验梁,并在受拉钢筋、压区混凝土及底部加固CFRP中预置了FBG传感器．根据FBG传感原理、钢筋混凝土理论和Ansys有限元软件编制RC梁荷载效应模拟程序．对实验梁进行弯曲加载实验．根据置入CFRP中FBG传感器的监测应变值,应用有限元模拟计算程序得到梁实时模拟荷载及诸项荷载效应模拟值．结果表明：受拉钢筋与压区混凝土实时模拟应变与传感器实测应变相符合,模拟挠度与实测挠度也相符合,模拟实时荷载与实际荷载基本一致．从而达到集加固与测评双重功能于一体的目的。     

新型光纤光栅渗压传感器及其在土木工程中的应用

基于光纤光栅传感原理研制出一种监测孔隙水压力的新型光纤Bragg光栅渗压传感器,并进行了室内标定和现场试验。该传感器可将过滤后进人传感器腔体的水压引起的光栅反射光波长的变化灵敏直观地显示出来,从而实现孔隙水压力的实时监测。与常规的电类检测仪器进行的对比试验表明：该传感器不仅能达到常规仪器的监测效果,而且具有绝对数值测量,抗干扰能力强,结构简单,长期稳定性高,能很好地实现对土木建筑结构的实时、在线监测等独特的性能,在土木工程界具有广泛的应用前景。     

一种光纤光栅加速度传感系统

研制了一种高精度、低成本适合于地震勘探和矿山安全等工程领域的光纤光栅加速度传感系统。该系统利用加速度改变光纤光栅中心波长的原理工作,可以有效消除温度漂移对动态应变测量的影响。实验结果表明,传感器频响在2-100Hz,灵敏度1．2pm／με,动态范围达80dB,是一种较为理想的光纤加速度传感系统。