分布式光纖傳感技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用研究.pdf

1、本文在綜述了國內(nèi)外關(guān)于FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA以及DTS等分布式光纖傳感技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀之后，基于東南大學(xué)土木工程學(xué)院新近添置的、目前在國內(nèi)外最為先進(jìn)的、高空間分辨率的PPP-BOTDA，對分布式布里淵光纖傳感在土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究內(nèi)容和成果如下： 1、提出了以單位脈沖寬度內(nèi)散射光均勻放大且線性疊加的方法，來模擬放大后的受激布里淵散射譜，經(jīng)與BOTDA實(shí)測結(jié)果對比，證明該

2、方法是可行的。利用該模擬方法分析和研究了空間分辨率、空間定位精度以及信號梯度對布里淵頻率測量值的影響，得出布里淵頻率測量精度隨空間分辨率的提高而提高、隨信號梯度提高而降低的結(jié)論，并提出了以空間分辨率與信號梯度的乘積作為布里淵頻率測量精度的指標(biāo)。 2、在對布里淵頻率測量過程以及測量誤差分析的基礎(chǔ)上，通過對光纖傳感原理的分析，首次提出了以提高光纖折射率來綜合提高空間分辨率、增益系數(shù)和測量精度等的方法，分析結(jié)果表明該方法具有顯著的優(yōu)越

3、性。 3、采用單根光纖拉伸的方法對常用光纖的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并從可靠度設(shè)計(jì)的角度，給出了試驗(yàn)光纖抗拉強(qiáng)度等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值。同時(shí)通過高低溫試驗(yàn)，對光纖在-60℃～80℃下的材料性能和光學(xué)性能進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了光纖在土木工程環(huán)境中應(yīng)用的可行性。結(jié)合光纖的拉伸試驗(yàn)和溫度試驗(yàn)，通過B0TDA測量各級荷載和溫度條件下光纖的布里淵頻率，給出了常用類型光纖在0～5×10<'4>με范圍內(nèi)拉應(yīng)變的布里淵頻移系數(shù)和-60℃～80℃

4、范圍內(nèi)的溫度布里淵頻移系數(shù)。 4、對光纖布設(shè)工藝的主要內(nèi)容和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)，分析了各工藝環(huán)節(jié)和工藝參數(shù)對監(jiān)測系統(tǒng)性能的影響，指出了粘結(jié)材料是布設(shè)工藝的關(guān)鍵。并通過光纖的架設(shè)、粘結(jié)劑的涂覆、布設(shè)后試件的拉伸等試驗(yàn)，對布設(shè)效率、光纖成活率以及布設(shè)后的粘結(jié)性能、抗沖擊性能和耐久性等進(jìn)行較為全面的研究，給出了兩種性能較好的粘結(jié)材料。同時(shí)，針對工程應(yīng)用中光纖意外斷裂的問題，提出了通過對粘結(jié)材料固化后的局部抗壓性能試驗(yàn)，來判斷其抗沖擊能

5、力的方法，在鋼筋混凝土試件的澆注和光纖傳感試驗(yàn)中，進(jìn)一步驗(yàn)證了固化后的粘結(jié)材料抵抗混凝土澆注中骨料傾倒、振搗等沖擊荷載的能力。 5、通過對光纖應(yīng)變傳遞過程的分析，研究了粘結(jié)層剛度、厚度等對光纖測量精度的影響，結(jié)合變厚度粘結(jié)層下光纖傳感試件的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，給出了結(jié)論：分布式光纖的應(yīng)變測量誤差是隨粘結(jié)層剛度的下降、厚度的增加而增大的，并且相應(yīng)的誤差區(qū)間也增大。 6、根據(jù)應(yīng)變傳遞分析結(jié)果和光纖傳感試件的溫度試驗(yàn)，得出了結(jié)構(gòu)因溫

6、度變化而產(chǎn)生的光纖布里淵頻移包括兩個(gè)部分，即溫度調(diào)制光纖彈性模量導(dǎo)致布里淵頻移部分和結(jié)構(gòu)溫度膨脹導(dǎo)致光纖拉伸應(yīng)變產(chǎn)生的布里淵頻移部分的結(jié)論，并提出了采用不同溫度膨脹系數(shù)材料來進(jìn)行分布式溫度補(bǔ)償和分布式應(yīng)變、溫度同時(shí)測量的方法。通過軸向拉、壓試驗(yàn)、三等分集中加載的簡支鋼梁試驗(yàn)以及圓管徑向均布受壓試驗(yàn)中的分布式應(yīng)變監(jiān)測，進(jìn)一步對分布式光纖傳感的應(yīng)變監(jiān)測精度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明PPP-BOTDA能夠較為完整、準(zhǔn)確地測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，與傳統(tǒng)點(diǎn)式應(yīng)

7、變傳感相比具有數(shù)據(jù)量多、分布面廣、能適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面等優(yōu)點(diǎn)。 7、基于材料的應(yīng)變達(dá)到或超過了極限拉應(yīng)變就產(chǎn)生裂縫的原理，首次提出了利用BOTDA，根據(jù)監(jiān)測到的拉應(yīng)變峰值的大小和應(yīng)變分布情況的變化來識別初始裂縫的方法。根據(jù)開裂后裂縫處光纖應(yīng)變增大這一規(guī)律，還提出了利用裂縫處應(yīng)變峰值的變化來識別裂縫寬度的方法。通過裂縫的模擬加載試驗(yàn)，成功識別了寬度為0.1mm的初始裂縫；通過對試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，給出了裂縫寬度在0.01mm～1m