长距离道路结构多介质层的全尺度光纤智能监测项目摘要

针对长距离多层介质道路结构对大规模分布式复杂应力测试手段和损伤演化规律研究的客观需求，提出道路结构多介质层的全尺度光纤智能监测方法，发展与柔性道路结构应变协调的低模量光纤传感元件封装方法与误差修正，以及兼顾长距离结构整体性态和局部高精度测试的光纤传感共线方法；基于全尺度长期监测数据研究道路结构的损伤演化规律；最后，利用长期监测数据修正道路结构理论模型，优化道路结构的关键参数。..通过上述研究，发展一套道路结构多层介质的全尺度光纤智能监测方法和技术，并提供相应的器件。

针对长距离多层介质道路结构对大规模分布式复杂应力测试手段和损伤演化规律研究的客观需求,课题组开发了多种适用于柔性道路结构现场布设的传感器，以用于长期的应变、曲率及损伤监测。通过大量的室内实验和现场布设验证了各种传感器性能。发展了光纤传感器整体性态与局部高精度测试的共线方法，开发了传感器自愈合系统。根据本项目提出的光纤传感元件柔性铠装封装方法，课题组在实验室分别制作了基于光纤光栅传感元件的准分布式应变测量传感器和基于BOTDR技术的分布式应变测试传感器，除了在实验室内进行各种性能试验外，还专门铺筑了十几米长的实验路，以检验所设计传感器的实用效果。所埋设的传感器能很好的测试各层的温度变化，温缩效应以及降雨引起的材料不均匀收缩,且有很高的成活率。针对分布式传感器，专门制作了水泥稳定试块，实验证明所开发的分布式传感器能有效的感知开裂，且能反映开裂位置和程度。弥补了沥青路面水泥稳定基层开裂监测测试手段的空白。 由于感知元件光纤的材料特征，裸光纤在施工过程中易弯折或被剪断，因此，封装保护处理是光纤在工程应用中必不可少的一个步骤。封装层的存在，使得部分基体应变在传递到光纤的过程中被消耗，因此，光纤感知应变通常不能完全代表基体的真实应变。为消除这种应变传递误差，本项目对该问题进行了应变传递理论分析。引入Goodman假设代替剪力秩模型来描述层间剪应力关系。在研究中通过建立一个典型三层力学模型进行分析,模型中考虑了基体和封装层的粘弹性特征。而后又对基体有裂缝的应变传递关系进行了理论研究。 结合重庆环道实验路的实际检测数据，本项目考虑沥青路面材料的拉压不同性特征，发展了三轴摩尔库伦理论，将其引入路面结构分析的强度理论修正中。基于上述理论，本项目还提出一种沥青路面结构车辙变形的预测公式，并基于并行演化算法开发了路面结构优化方法和相应的计算软件。通过以重庆环道实际的三种路面结构组合为算例，证明了该程序的计算结果与实测路面响应数据接近，也就证明了本项目所提方法的有效性。 2100433B

铁电、铁磁材料以及多铁性材料是智能材料的代表。这类材料本身在力磁电热之间的功能转换，以及其应用的多场耦合工作环境，都仰赖于多场加载下微结构和性能的动态演化过程。迄今为止，对智能材料的研究通常囿于局域的微观模式或孤立的宏观模式，缺乏将微观和宏观研究有机结合起来的多场耦合、动态和跨尺度的研究。. 本项目的目标是发展智能材料实验力学技术与方法，研制一台具备多物理场加载，并赋有从微米到纳米尺度结构观测和性能表征的仪器。该仪器能够实现力磁电热场的组合加载,从而有效表征智能材料和器件的不同服役条件；同时还能够完成对智能材料在多场加载条件下从微米到纳米尺度的形貌、结构和性能分析研究。本实验技术与仪器项目申请集设计理念的创新与关键核心技术的突破于一体，对于发展智能材料微纳米表征的新技术和新方法，促进智能材料多场耦合力学具有科学意义，对于新型智能材料与器件的设计与研制具有重要的应用意义。

本项目发展智能材料实验力学技术与方法，研制了一台具备多物理场加载，并赋有从微米到纳米尺度结构观测和性能表征的仪器。该仪器能够实现力磁电热场的组合加载,从而有效表征智能材料和器件的不同服役条件；同时还能够完成对智能材料在多场加载条件下从微米到纳米尺度的形貌、结构和性能分析研究。本实验技术与仪器项目申请集设计理念的创新与关键核心技术的突破于一体，对于发展智能材料微纳米表征的新技术和新方法，促进智能材料多场耦合力学具有科学意义，对于新型智能材料与器件的设计与研制具有重要的应用意义。 在研制的智能材料多场多尺度分析仪器基础上，利用研制仪器对磁电复合材料的力磁电效应与微结构演化进行了研究，应力调控四态磁电耦合效应对于多态存贮器的研制和开发具有重要意义；利用研制仪器对PMN-PT铁电单晶进行了多尺度畴结构观察与纳观区域压电响应研究，通过微观和纳观尺度的结合，澄清了目前尚存争论的单斜相的结构本质，同时揭示了单斜相、三方相、四方相中铁电畴电场下的电致应变与畴取向的关系；将高性能PMN-PT铁电单晶与巨磁致伸缩材料Terfernol-D结合制作PMN-PT/Terfernol-D磁电复合材料，研究了磁场对畴结构和电极化性能的调控，得到了磁场调控的最优值；研究了电活性聚合物(P(VDF-TrFE)铁电薄膜循环电场下由电场诱导的电极化和力学性能共增强效应，适合应用于无疲劳现象的铁电器件；还利用研制仪器对柔性聚合物磁电复合材料的自偏置磁电耦合进行了研究，由于不必再使用外加静磁场，可以使得磁电器件降噪的同时尺寸做得更小；研究制备了高性能PVDF基压电纳米纤维，对单根纳米纤维的压电性能进行表征，在高性能压电纳米纤维研制的基础上进行了纳米纤维发电机原型的制作，获得较高的输出能量。

多芯光纤拉制的工艺主要有两种:一种是在芯层玻璃的棒体上套上外包层的玻璃管,之后送入乳高温炉软化拉制成光纤;另一种是用预制棒直接在高温炉中加温软化拉制出光纤。

多芯光纤制作工艺与标准单芯光纤不同;主要有两种制作技术;第一种是多芯光纤嵌入光纤预制棒制作技术,此方法除了预制棒制作工艺不同外,其光纤拉制方法与普通标准光纤的拉制过程相同,第二种称为多相祸技术,每一个纤芯都是由独立的内坦祸中引出,纤芯的数目及对应位置分布通过纤芯内it祸来加以调整,外谢祸引出的是包层材料,这样多个内琳祸引出的被外播祸引出的包层包裹,共同拉出的即是所谓的多芯光纤。

此外还有介绍的一种是光子晶体光纤(Multicore photonic crystal fiber)它是一种常见的多芯光纤,制作多芯光子晶体光纤的方法与制作单模光子晶体光纤的(PCF)方法一样,都是先钻孔后堆积的制造,唯一不同之处在于预制棒横截面结构的设计,通过改变纤芯的位置分布或改变空气孔的比例可以获得具有不同亲合度的多芯光纤。