光纤光栅传感应用问题解析

前言

第1章 绪论

1.1 大型结构健康监测的必要性

1.2 光纤光栅传感器的优越性

1.2.1 光纤光栅传感器系统的组成

1.2.2 光纤光栅传感器的特点

1.3 光纤光栅传感器在健康监测中的应用

参考文献

第2章 光纤光栅传感理论与传感元件设计

2.1 光纤光栅传感理论

2.2 光纤光栅传感器设计准则

2.2.1 基本原则

2.2.2 实际工程中光纤光栅传感器的要求

2.2.3 设计流程

2.3 光纤光栅应变传感器制作与标定

2.3.1 传感器结构与封装工艺

2.3.2 管式封装光纤光栅应变传感器的温度特性

2.3.3 管式封装光纤光栅应变传感器的优缺点

2.4 光纤光栅钢管封装温度传感器

2.4.1 传感器的封装结构

2.4.2 封装材料选择

2.4.3 封装工艺

2.4.4 温度传感器标定

参考文献

第3章 光纤光栅传感器应变标定常见问题分析与处理

3.1 应用等强度梁的应变标定误差分析与修正

3.1.1 等强度梁工作原理

3.1.2 力学分析

3.1.3 计算结果与标定

3.1.4 采用万能试验机的应变标定

3.2 不同“基体”材料上的应变灵敏度系数标定

3.3 小结

参考文献

第4章 光纤光栅动态响应时间与可测频率计算

4.1 引言

4.2 光纤光栅应变传感器的设计种类

4.3 光纤光栅应变传感器动态响应时间

4.3.1 应变波的传播过程

4.3.2 光纤光栅应变传感器的应变响应时间

4.4 光纤光栅应变传感器可测频率的估计

4.5 光纤光栅应变传感器在低频振动系统中的应用

4.5.1 模型设计

4.5.2 传感器布置及数据采集系统

4.5.3 动荷载试验

4.5.4 试验结果与分析

4.6 小结

参考文献

第5章 应变传递相关理论与计算

5.1 引言

5.2 光纤光栅传感器应变传递理论研究现状

5.3 考虑温度与埋设角度的应变传递分析

5.3.1 基本假设

5.3.2 理论分析

5.3.3 有限元计算

5.3.4 应变传递误差分析

5.4 影响应变传递的参数分析

5.5 几种埋人式光纤光栅应变传感器应变传递计算公式比较

5.5.1 基本假设的对比

5.5.2 光纤应变计算公式及其分析模型的对比

5.5.3 计算结果的对比

5.6 小结

参考文献

第6章 FBC-GFRP智能筋常见问题分析与计算

6.1 引言

6.2 FBC-GFRP智能筋设计

6.3 FBC-GFRP智能筋温度灵敏度系数计算

6.3.1 编制温度灵敏度计算器

6.3.2 FBG-GFRP智能筋受力的有限元分析

6.3.3 温度灵敏度系数计算

6.4 FBG-GFRP智能筋温度灵敏度标定实验

6.5 GFRP筋受压力学性能研究

6.5.1 GFRP筋端部加压锚具设计

6.5.2 GFRP筋受压力学性能试验

6.5.3 两种监测方法的试验结果比较

6.5.4 极限抗压强度

6.5.5 破坏状态分析

6.5.6 结论

参考文献

第7章 光纤光栅传感元件温度补偿技术与温度灵敏度系数计算

7.1 光纤光栅温度补偿技术

7.1.1 光纤基本结构与传输原理

7.1.2 光纤布拉格光栅温度传感模型

7.1.3 光纤布拉格光栅应变传感模型

7.1.4 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型

7.1.5 光纤布拉格光栅应变传感的温度补偿技术

7.2 应力分析法计算温度灵敏度系数方法

7.2.1 钢管封装光纤光栅应变传感器温度灵敏度系数计算

7.2.2 埋人混凝土的钢管封装应变传感器温度灵敏度系数计算

7.2.3 FBG-GFRP智能筋埋人混凝土工作时的温度灵敏度系数计算

7.3 温度灵敏度系数近似计算方法

7.3.1 表观温度灵敏度系数法

7.3.2 表观温度灵敏度系数法应用

参考文献

第8章 实际应用中的数据分析与处理

8.1 钢筋混凝土固化期收缩应变监测

8.1.1 试验采用的光纤光栅传感器类型及其工作特性

8.1.2 传感器布设

8.1.3 钢筋混凝土养护期收缩应变监测试验数据分析

8.1.4 结论

8.2 框-剪结构模型振动台试验中的破坏监测

8.2.1 模型设计

8.2.2 试验加载方案

8.2.3 光纤光栅应变传感器的布设与保护

8.2.4 光纤光栅应变传感网络拓扑

8.2.5 试验结果与分析

8.2.6 结论

8.3 海底悬跨管段动力特性研究

8.3.1 模型与激励系统介绍

8.3.2 传感器布置与数据采集系统

8.3.3 试验工况

8.3.4 钢管封装的光纤光栅应变传感器的工作频率计算

8.3.5 两种应变传感元件试验结果比较

8.3.6 试验结果分析

8.3.7 结论

参考文献 2100433B

具体内容包括：光纤光栅的基本理论；光纤光栅传感器设计与制作；光纤光栅传感器应变标定的常见问题分析与处理；光纤光栅传感器的动态响应时间分析计算；光纤光栅传感器可测频率范围计算方法；应变传递误差理论分析与计算方法；光纤光栅传感元件温度补偿技术与温度灵敏度系数计算；FBC-GFRP智能筋设计与使用过程中的常见问题分析；使用光纤光栅传感器时的数据分析与处理方法。《光纤光栅传感应用问题解析》注重理论与实践相结合，既有光纤光栅传感器试验也有现场监测的典型案例，可作为高等院校土木工程、光学工程专业教师、研究生和高年级本科生的参考书，也可供从事光纤传感器技术的研究与开发、生产与应用的科研人员和工程技术人员参考。本书由孙丽著。

《光纤光栅传感应用问题解析》从光纤光栅传感器的基本理论出发，对光纤光栅传感元件在设计、安装和使用过程中可能遇到的问题进行了分析探讨。具体内容包括：光纤光栅的基本理论；光纤光栅传感器设计与制作；光纤光栅传感器应变标定的常见问题分析与处理；光纤光栅传感器的动态响应时间分析计算；光纤光栅传感器可测频率范围计算方法；应变传递误差理论分析与计算方法；光纤光栅传感元件温度补偿技术与温度灵敏度系数计算；FBC-GFRP智能筋设计与使用过程中的常见问题分析；使用光纤光栅传感器时的数据分析与处理方法。

《光纤光栅传感应用问题解析》注重理论与实践相结合，既有光纤光栅传感器试验也有现场监测的典型案例，可作为高等院校土木工程、光学工程专业教师、研究生和高年级本科生的参考书，也可供从事光纤传感器技术的研究与开发、生产与应用的科研人员和工程技术人员参考。

前言

第1章 绪论

第2章 光纤光栅传感理论与传感元件设计

第3章 光纤光栅传感器应变标定常见问题分析与处理

第4章 光纤光栅动态响应时间与可测频率计算

第5章 应变传递相关理论与计算

第6章 FBG-GFRP智能筋常见问题分析与计算

第7章 光纤光栅传感元件温度补偿技术与温度灵敏度系数计算

第8章 实际应用中的数据分析与处理

自从1989年美国的Morey等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，在短短的10多年时间里光纤光栅己成为传感领域发展最快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如航空航天、土木工程、复合材料、石油化工等领域。

1、土木及水利工程中的应用

土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况.。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。

2、在桥梁安全监测中的应用

目前， 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固体系，如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年)， 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测， 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥， 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中， 测量荷载下的基本线性响应， 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验， 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室， 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中， 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测， 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

2003年6月，同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。

施工情况：整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。

3、在混凝土梁应变监测中的应用

1989年，美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中， 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后， 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是： 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上， 其质地脆， 易断裂， 为适应土木工程施工粗放性的特点， 在将其作为传感器测量建筑结构应变时，应采取适当保护措施。

一种可行的方案是：在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后， 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中， 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。

4、在水位遥测中的应用

在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

5、在公路健康检测中的应用

公路健康监测必要性：交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。