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161109字博士毕业论文桥梁隧道工程安全测量的FBG传感知识及关键技术研究

论文类型:博士毕业论文
论文字数:161109字
论点:光栅,光纤,传感
论文概述:

本文是工程博士论文,本文重点优化设计了应变损失小的光纤光栅表贴式应变传感器,灵敏度高的光纤光栅位移传感器,为桥隧工程不同灾害类型中重要参数的实时监测提供有效的手段。

论文正文:

第一章绪论

根据桥梁和危险道路工程的灾害类型和事故特点,研究适用于状态监测和灾害识别的传感理论和关键技术,研究先进、有效、准确的监测设备和系统,是有效保障桥梁和危险结构工程安全、预防安全事故的关键技术。一方面,采用适合桥梁和危险道路工程条件的监测技术和自动化仪器,对工程现场的关键信息进行长期实时监测,获取桥梁和危险结构关键参数的变化信息,从而评价桥梁和隧道工程的安全状态,及时采取有效措施防范安全隐患,最大限度地防止灾害事故的发生或减少事故损失;另一方面,利用先进的传感技术进行现场试验或模型试验,科学定量地检测危险道路开挖、桥梁焚烧等工程扰动下关键参数和致灾因子的变化规律,了解致灾机理和灾害控制技术,形成类似地质条件下的工程安全评价体系,从根本上降低灾害发生的可能性。基于以上讨论和分析,本文以桥梁隧道工程安全监测为应用背景,基于不同灾害类型在桥梁风险工程中的现场应用和模型试验,研究了光纤光栅传感理论和桥梁风险工程安全监测的关键技术。首先,基于光纤光栅应变传感模型,针对研制小型化、高精度的光纤光栅传感器,采用有限元数值分析方法,在必要时考虑传感器与被测对象的匹配问题,优化设计各种监测参数传感器的伴随产品、材料和结构形式。研制了表面安装式光纤光栅应变仪、高精度光纤光栅位移传感器、微型光纤光栅土压力计和靴型光纤光栅流量传感器。以土木工程结构加固用土工格栅为基体,充分发挥纤维格栅等材料机械称重性能好、成本低、系统适用性强的特点。
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第二章光纤布拉格光栅传感理论及多参数光纤布拉格光栅传感器的优化设计

2.1光纤布拉格光栅传感理论
利用光纤布拉格光栅的轴向均匀应变特性测量应变等机械参数是目前最常用的方法,但在实际应用中,当光纤光栅的光栅区域应变分布不均匀或受到局部集中应力时,光纤光栅的反射光谱呈现啁啾效应,导致光谱畸变。在一些应用中,沿光纤光栅长度方向的不均匀钩应变现象是不可避免的。因此,有必要研究光纤光栅在轴向非均匀弯钩应变场下的传感特性,建立光纤光栅非均匀弯钩应变传感模型。光纤光栅对温度和应变的交叉灵敏度是影响测量精度和可靠性的关键因素。通常,在传感器和系统设计中应充分考虑温度应变分辨率问题。测量应变等机械参数时,必须消除温度的影响。目前最常用的方法是参考光栅补偿法,即一个参考光纤光栅只感应温度变化,另一个光纤光栅同时测量应变和温度,利用温度补偿光栅消除温度响应,得到实际应变值。

2.2多参数光纤光栅传感器的优化设计
在系统研究光纤光栅轴向均匀弯钩、非均匀弯钩应变传感模型和温度应变交叉敏感特性的基础上,本节根据桥梁和隧道工程安全监测关键特性参数的测量要求,充分考虑传感器体积、封装材料、传感器结构等因素,采用有限元力学仿真和性能测试相结合的方法,对光纤光栅传感器进行优化设计。本节根据桥梁和轨道跟踪工程所需传感器的设计要求,基于有限元力学模拟方法,对高应变传递率的表面安装型光纤光栅应变传感器、微裂纹监测用高精度光纤光栅位移传感器、与被测介质匹配良好的微光纤光栅土压力传感器、裂纹流场监测用光纤光栅流速传感器进行了优化设计。 拓展了光纤光栅轴向应变传感模型在桥梁隧道工程监测中的应用,为不同灾害类型桥梁风险项目中重要表征参数的实时监测提供了有效的技术手段。

第三章植入光纤光栅的智能土工格栅及其形状自动传感方法.......50
3.1智能土工格栅在线植入法传感系统的构建.......50
3.2智能土工格栅形状传感方法........57
第四章非均匀光纤光栅空应力间载荷传感特性分析……81
4.1啁啾光纤光栅轴向力特性.......81
4.2相移光纤光栅轴向力特性.........93
第五章光纤光栅传感系统与桥梁及危险道路工程监测的应用研究.......117
5.1光纤布拉格光栅传感系统的构建……117
5.2光纤布拉格光栅传感系统在桥梁隧道工程安全监控中的应用研究.......119
5.3基于支持向量机的光纤光栅传感系统缺失数据修复........137 [/BR/] [/BR/]第五章光纤布拉格光栅传感系统及其在桥梁隧道工程监测中的应用

5.1光纤布拉格光栅传感系统的构建[/BR/]本节针对桥梁隧道工程复杂环境中关键参数的实时监测要求,建立了光纤布拉格光栅多参数传感系统。该系统由高精度小型化光纤光栅传感器系列、光纤光栅解调器、计算机和系统软件组成。传感器系列包括表面安装的光纤光栅应变传感器、高精度光纤光栅位移传感器、微光纤光栅土压力传感器、光纤光栅流量传感器,主要安装在桥梁工程项目的监控现场,对不同关键参数进行实时监控。光纤光栅解调器负责解调传感器获得的光信号,将其转换成电信号并传输给计算机;软件系统用于实现计算机与解调器之间的通信,并实现数据的采集、存储和分析。为了进一步提高系统的可靠性和智能性,可以采用智能算法对采集的数据进行处理,实现数据去噪、融合和修复。光纤光栅传感系统的框图如图5.1所示。

5.2光纤布拉格光栅传感器系统在桥梁和隧道工程安全监测中的应用研究
根据不同的工程环境和地质条件制定监测方案,现场布设传感器以反映桥梁和隧道工程的安全状况是确保工程安全的常用方法。同时,针对工程条件和灾害类型开发了地质力学模型。在满足相似原理的条件下,真实再现物理实体,模拟灾害发生和防治情况,研究致灾因素和灾害机理。这也是减少灾害发生的有效方法。本节中,光纤光栅传感系统主要应用于桥梁和隧道工程现场及模型试验。针对不同的灾害类型,选择不同的传感器监测关键参数,验证不同传感器在具体工程现场和试验中的应用效果,得出测量参数的变化规律。
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第六章概述和展望

本文的研究为推广光纤光栅传感理论和技术,提高基于光纤光栅的桥梁隧道工程安全监测的可靠性提供了理论依据和技术手段。主要结论如下:
(1)分析了轴向均匀和非均匀应变场下光纤光栅的光谱特性和光纤光;基于光栅温度和应变的交叉敏感性,根据桥梁和隧道工程中传感器的要求,充分考虑传感器体积、材料、结构形式和测量环境的兼容性。采用有限元法优化设计了各种参数的小型化高精度光纤光栅传感器。主要对应变损失小的光纤光栅表面应变传感器和灵敏度高的光纤光栅位移传感器进行了优化设计。该微型土压力传感器与土力学匹配良好,适用于检测裂缝和管道流速的光纤光栅流量计,为不同灾害类型的桥梁和隧道工程中重要参数的实时监测提供了有效手段。
(2)基于土木工程结构加固用土工格栅,结合光纤光栅传感技术易于植入、局部检测精度高、成本低的优点,通过对光纤光栅与土工格栅在线植入复合工艺的研究,将pvc紧密包裹套管保护的光纤光栅阵列置入土工格栅经纱中,开发出集测量与加固于一体的36cm长智能土工格栅。

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参考文献(省略)