混凝土结构埋入式光纤应变传感器的耐用性解决方案

埋入式光纤应变传感器在混凝土结构的健康监测中应用日益广泛,但其有效寿命远低于结构的使用寿命,不能实现对结构的全周期监测。基于可更换的思路,提出了一种新型的传感器设计方案,通过对老化的主要应变传感部件(光纤光栅、基底和传输光纤)进行更新来使应变监测得以长期连续进行,从而简便可靠地解决了埋入式光纤应变传感器的耐用性问题。

新型埋入式长距离应变光纤传感器研制及性能研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可检测长距离光纤沿线的分布式应变和温度,非常适用于结构健康监测。但如何保证传感光纤在铺设及后期监测过程中的安全性是其应用于土木工程领域的关键问题。介绍了一种新型埋入式长距离光纤传感器的研制方法,首先在结构施工过程中根据监测网设计预埋微管,再通过气吹技术将传感光纤铺设至微管内部,最后利用真空辅助灌浆技术将水泥净浆灌入微管以固定传感光纤。通过理论分析和实验研究分别对影响该光纤传感器性能的填充层厚度、微管物理特性等因素进行了分析研究。分析结果表明埋入式长距离光纤传感器应变测量精度随外径减小、微管弹性模量增大而提高。标定试验结果表明各传感器工作性能和理论分析结果一致,均能准确感应结构内部应变信息。

埋入式BRAGG光纤光栅应变传感器的应用原理分析

对BRAGG光纤光栅作为应变传感器的基本原理作了分析，重点讨论了该传感器作为埋入式应变传感器时，被埋入主体的横向应变和温度变化对测量结果的影响。分析表明埋入主体的横向应变对光纤光栅传感器测量结果有影响；尽管温度的变化会影响测量结果，但当温度变化不是很大时，这种影响是可以忽略的。

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100~250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。

埋入式光纤Bragg光栅应变传感器在隧道二次衬砌中的监测研究

隧道二次衬砌性能劣化是影响隧道健康运营的主要病害,对隧道二次衬砌进行监测是保证隧道健康运营的重要手段。应用埋入式光纤Bragg光栅应变传感器深入研究了隧道二次衬砌的变化。通过FBG(Fiber Bragg Grating)传感器在隧道内的布设及温度补偿技术,对隧道断面的应变变化情况进行了分析。结果表明,数据的曲线走势在一定程度上反映了隧道二次衬砌的变化,为进一步的病害预报提供了有效的支持。

光纤传感器埋入沥青路面基体的应变传递误差

介绍了光纤传感涉及的应变传递理论,基于该理论建立了基体和感知光纤应变的定量关系,以消除应变传递误差,提高测试精度。针对埋入式光纤传感器用于高黏度的柔性沥青路面基体的最普遍形态,建立了含感知光纤、封装层和基体的典型三层力学模型。采用Goodman假设描述层间剪应力关系,引入傅里叶级数法求解微分方程,建立了基体和感知光纤的平均应变传递关系。通过室内试验论证了推导的应变传递理论公式的有效性,并对影响平均应变传递效率的几何参数和材料参数进行了灵敏度分析。分析结果表明:光纤粘贴长度越长,光纤和封装层的层间黏结越紧密,平均应变传递系数越大,应变传递效果越好。本文的研究可广泛用于埋入式光纤传感器的应变传递误差修正及封装设计。

用于混凝土内部的光纤应变传感器及其埋入方法

介绍了一种基于光纤白光迈克尔逊 (Michelson)干涉仪原理的光纤应变传感器 ,该传感器主要用于混凝土内部应变的测量 ,讨论了测量混凝土内部应变的原理 ,详细介绍了传感器的埋入方法 ,并对混凝土内部的应变状态进行了测量 ,将实验结果与Instron85 0

新型智能结构中埋入式曲率光纤传感器的研究

研制了一种新型埋入式曲率光纤传感器,以结构的曲率变形对传感器的输出光强实现强度调制。提出了该传感器的传感机理,对传感器的结构作了改进。将此传感器埋入树脂基复合材料板内部,测量板的弯曲变形。设计了一种智能结构中光纤出口和入口处的新型结构和保护方法。利用此曲率传感器组成准分布式传感系统检测智能结构的形状变化,重建智能结构的形状。

埋入式低弹模混凝土应变传感器的研究

准确监测混凝土变形是评价混凝土材料性能、结构服役能力和健康状态的重要前提,但现有方法通常只能适用于硬化混凝土材料及其结构,不适用于自早龄期开始的全寿命检测.为了克服这一缺点,开发了一种弹性模量小于35MPa的低弹模埋入式应变传感器(ESS),ESS可于混凝土结构浇筑时埋入其内部,自早龄期开始实现对变形的实时监测.同时,ESS也可置于各种结构表面进行变形监测.对比试验结果表明:采用ESS对混凝土试件变形监测所得结果与采用其他方法所得结果具有较好的一致性.

基于白光干涉原理的光纤传感技术——Ⅲ.埋入式光纤传感器的设计、集成与安装

讨论了光纤传感器在复合材料或混凝土结构中的集成与安装问题。设计了用于混凝土结构的预埋式金属基、环氧基和混凝土基白光干涉光纤传感器。这种预埋式白光干涉光纤传感器可满足结构传感领域的要求,并且在此基础上可以发展用于实际工程建筑中的长光纤结构传感系统。

基于白光干涉原理的光纤传感技术—Ⅳ.埋入式光纤传感器基础实验

发展了可埋入混凝土基复合材料内部的白光光纤引伸计,用于测量混凝土内部的应变或裂纹尖端张开位移,并对这些混凝土试件进行了实验研究。实验结果表明,光纤传感器不仅可以测量1D应变,也可以在2D方向上测量应变。对埋入土体内部的三包层光纤土力学传感器进行了标定实验,实验结果表明,传感器能够较好的反映土体形变,设计并制作了土体坝段和高边坡的模型,将经过标定的光纤土力学传感器埋设于模型内部,利用光纤白光干涉测量技术,对外部载荷作用下不同结构的土体模型进行了实验研究,对其变形量进行了测量。

热和机械载荷共同作用下涂层特性对埋入式光纤传感器性能的影响

研究在热载及拉伸共同作用下，光纤传感器涂层的材料特性和厚度变化对光纤－涂层－基体整体性能的影响．分析表明在埋入式光纤附近的应力集中与涂层的特性有关．在热应力和机械应力共同作用下，对于给定的基体材料和裸光纤，存在可减少基体、涂层与裸光纤之间或裸光纤中应力集中的涂层性能和尺寸的最优组合．

金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验

为实现对被测基体结构应变的精确测量,设计一种基于金属封装粘贴式光纤光栅应变传感器,建立了6层结构的应变传递模型,分析推导了被测基体层、基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层、保护层及光纤光栅层的应变传递机理,并通过理论分析和有限元仿真对比分析了光纤光栅长度、光纤粘胶层厚度、基底粘胶层厚度、中间层的弹性模量和泊松比等主要因素对平均应变传递率的影响.根据仿真结果,确定所设计的金属封装粘贴式光纤光栅传感器的封装材质、尺寸及粘胶层厚度.最后通过设计等强度悬臂梁作为施加载荷载体,提出应变传递误差修正系数,对上述铝合金封装粘贴式光纤光栅及裸光纤光栅传感器进行了应变传递对比试验.结果表明,裸光纤光栅和金属封装式光纤光栅传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%,与仿真计算误差在0.15%~0.25%以内.

表面式光纤光栅传感器应变传递研究

建立了表面式光纤光栅传感器力学模型;推导了表面式光纤光栅传感器感测应变与基体应变间的关系;仿真分析了衬底厚度和黏结长度对应变传递效果的影响;实验证明在黏结长度为40mm有衬底和无衬底及黏结长度为20mm有衬底三种情况下光纤光栅应变传感器的灵敏度系数分别为54.4pm/0.1mm,54.8pm/0.1mm,52.8pm/0.1mm。实验结果证明了理论推导和仿真分析,为传感器封装提供了指导。

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器，由两根以上多模光纤相互绞合形成，分析了该传感器的应变传感原理，得到其既能测量拉应变，又能测量压应变的结论．传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象．对钢筋拉应变、混凝土压应变的实验结果与理论分析一致，表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器．

埋入式FBG振动传感器在变压器铁芯-绕组振动检测中的应用

直接采集变压器振动信号可以对变压器的运行状态进行预测与诊断。通过对变压器铁芯-绕组模型的有限元分析计算,得到铁心-绕组前三阶固有频率为70.807,142.59,163.73 Hz,通过对于振型的分析得到应将传感器布设于铁心顶部,通过对于谐响应信号的分析得到变压器铁芯-绕组模型有2个振动的敏感方向。在变压器内铁芯上端埋入了2支光纤Bragg光栅振动传感器,测得变压器负载运行下的振动信号。再通过JADE算法将2组负载信号进行盲源分离,分别得到了铁心和绕组的振动信号。

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前蒂。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0-1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。

粘贴式光纤光栅传感器应变传递影响因素分析

本文建立了混凝土结构与粘贴式光纤光栅传感器应变传递简化模型,并推导了混凝土结构实际应变与粘贴式光纤光栅传感器所测应变之间的关系。对影响粘贴式光纤光栅传感器平均应变传递率的各种因素进行了计算分析,得到了粘贴式光纤光栅传感器平均应变传递率与应变传递影响因素之间的变化关系。

表面式光纤光栅传感器应变传递机理研究

光纤光栅的重要应用形式之一是通过粘贴在结构表面来测量应变,通常需要设计合金薄片基底进行封装以提高表面式光纤光栅的强度。文中建立了表面式光纤光栅传感器的分析模型来预测应变传递率;以之为基础,进一步分析和比较了基底材料和尺寸对表面式光纤光栅应变传递速率的影响:为工程中选择合适的基底材料提供了理论依据。

常用埋入式静力传感器的力学传递性能及数据处理

本文通过对常用的钢弦式钢筋计、钢弦式砼应变计和差动式砼应变计的砼模型试验,着重对介质与传感器的变形协调问题和元件的率定及测试数据的转换处理方法进行了分析和研究。结果表明:对于测试元件必须具有稳定的工作性能和合理的结构尺寸,对于复杂受力状态下的应力型传感器,应通过“贴片率定法”将其转变为应变型后使用,并采用广义虎克定律进行数据转换处理,而“常用率定法”仅适用于简单受力状态下的数据处理。