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光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用研究

作　者: 刘宏月
导　师: 梁大开
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤Bragg光栅（FBG）长周期光纤光栅（LPFG）结构健康监测动态信号监测钢筋锈蚀沥青路面混凝土结构
分类号: TU317
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于光纤光栅具有质量轻、空间分辨率高、易于组成准分布式网络等独特的优点，使得基于光纤光栅传感系统的结构健康监测技术与应用研究逐渐成为当前研究者们共同关注的新热点，在大型航空及土木结构的健康监测研究领域中有着广阔的应用前景。本文将光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）和长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）应用于航空及土木结构健康监测中，分别对航空复合材料典型结构拉伸断裂状态监测、极端环境对复合材料的影响监测以及土木结构中的钢筋锈蚀监测、沥青路面状态监测进行研究，实现对航空及土木结构健康状态的实时在线监测。本文的研究内容主要分为以下几个方面：（1）对FBG和LPFG进行理论分析，推导了光纤光栅的耦合方程，为光栅传感特性的研究提供了理论基础。对FBG和LPFG的传感特性进行了仿真，给出栅长选择的基本依据和相应的传感灵敏度系数。此外，对LPFG横向负载方向敏感特性进行实验分析，得到其变化规律。（2）对声发射及碳纤维复合材料断裂理论进行分析，通过FBG传感监测系统分别对碳纤维复合材料拉伸试件、碳纤维复合材料整体结构件内部断裂和裂纹扩展瞬间的声发射应变响应信号进行采集、分析，获得CFRP结构内部断裂及裂纹扩展情况，实现对CFRP结构断裂情况的监测，同时，对极端环境下FBG传感系统的可靠性进行了验证实验。（3）基于光滤波器边缘滤波效应的FBG动态解调系统，针对薄板结构受振动、冲击响应情况，分别提出基于上述系统的FBG薄板结构振动、冲击监测方法。实验结果表明，该系统对振动、冲击信号的响应效果较好，可实现对待测结构振动、冲击状态的监测，具有较高的分辨力，能满足信号采集的要求。（4）研究混凝土结构中钢筋的锈蚀机理和LPFG的折射率敏感特性，提出了基于锈蚀环境折射率变化的分阶段监测方法，设计了基于LPFG折射率特性的钢筋锈蚀传感器，并对其进行埋入验证实验。同时，基于LPFG对横向负载的敏感特性，设计了可实现钢筋360°锈蚀情况监测的钢筋锈蚀传感器，并在埋入实验研究中取得了良好的效果。（5）将FBG和LPFG用于沥青路面内部应变及动水压力监测领域，利用FBG对应变、LPFG对横向负载及弯曲的敏感性，设计制作了基于LPFG横向负载特性的沥青路面压力传感器、基于FBG应变特性的沥青路面压力传感器及基于LPFG弯曲特性的动水压力传感器，并各自进行了实验验证，取得了良好的效果。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-18
第一章绪论  18-36
  1.1 研究背景  18-19
  1.2 结构健康监测研究现状  19-28
    1.2.1 航空结构健康监测  19-24
    1.2.2 土木结构健康监测  24-28
  1.3 光纤光栅传感器研究概况  28-30
    1.3.1 光纤光栅传感器的发展  28-29
    1.3.2 光纤光栅传感器的分类  29-30
  1.4 光纤 Bragg 光栅解调系统研究现状  30-34
    1.4.1 光谱法  30-31
    1.4.2 滤波法  31-32
    1.4.3 干涉法  32-34
  1.5 本文研究内容  34-36
第二章光纤 Bragg 光栅及长周期光纤光栅理论及传感机理  36-56
  2.1 光纤光栅基本理论  36-41
    2.1.1 光纤中模式传播  36-39
    2.1.2 耦合模理论  39-41
  2.2 光纤 Bragg 光栅传感机理及光谱仿真  41-48
    2.2.1 FBG 应变传感机理  41-43
    2.2.2 温度传感机理  43-44
    2.2.3 光纤 Bragg 光栅光谱仿真  44-48
  2.3 长周期光纤光栅光谱仿真  48-50
    2.3.1 LPFG 光谱仿真  48-49
    2.3.2 不同栅区长度的 LPFG 对比仿真  49-50
    2.3.3 LPFG 温度传感仿真  50
  2.4 长周期光纤光栅横向负载方向特性研究  50-55
    2.4.1 光纤横向负载敏感特性  50-51
    2.4.2 LPFG 横向负载敏感特性  51-52
    2.4.3 LPFG 横向负载方向敏感特性  52-53
    2.4.4 LPFG 横向负载方向特性实验  53-55
  2.5 本章小结  55-56
第三章基于光纤 Bragg 光栅传感的典型航空结构健康状态监测  56-85
  3.1 基于光纤 Bragg 光栅传感的复合材料拉伸试件细微裂纹扩散监测  56-65
    3.1.1 碳纤维复合材料典型结构件断裂破坏机理  56-58
    3.1.2 基于声发射理论的复合材料拉伸件拉伸断裂监测模型  58-59
    3.1.3 基于 FBG 传感的 CFRP 结构件裂纹损伤监测系统及应变响应实验  59-61
    3.1.4 碳纤维复合材料拉伸裂纹扩散响应监测及响应信号分析  61-65
  3.2 基于典型飞机复合材料整体结构件的损伤监测研究  65-74
    3.2.1 典型复合材料整体结构的理论模型  65-69
    3.2.2 典型 T 型复合材料整体结构件的有限元仿真模型  69-72
    3.2.3 基于光纤 Bragg 光栅传感的损伤监测系统  72-73
    3.2.4 损伤监测信号分析  73-74
  3.3 极端环境对基于 FBG 的碳纤维复合材料拉伸监测系统影响研究  74-81
    3.3.1 碳纤维复合材料典型结构件环境影响机理研究  75-76
    3.3.2 基于 FBG 的碳纤维复合材料典型结构件应变监测系统  76-77
    3.3.3 温度环境对基于 FBG 传感的 CFRP 结构件应变传感性能的影响  77-79
    3.3.4 湿热环境前后基于 FBG 传感的 CFRP 结构件应变传感监测  79-81
    3.3.5 不同温度环境对 FBG 碳纤维复合材料应变监测系统的影响  81
  3.4 基于 FBG 传感的 300M 钢梁结构裂纹监测研究  81-84
    3.4.1 基于 FBG 传感的钢梁结构裂纹扩展程度监测系统  82
    3.4.2 钢梁结构裂纹应变响应信号分析  82-84
  3.5 本章小结  84-85
第四章光纤 Bragg 光栅动态解调系统研究及动态响应监测  85-99
  4.1 基于光滤波原理的 FBG 动态解调系统  85-89
    4.1.1 动态信号监测原理  85-86
    4.1.2 动态信号监测系统构建  86-89
  4.2 基于 FBG 动态解调系统的薄板结构振动响应监测  89-95
    4.2.1 光纤 Bragg 光栅振动信号监测系统  90-91
    4.2.2 振动响应信号分析  91-95
  4.3 基于 FBG 动态解调系统的薄板结构冲击响应监测  95-98
    4.3.1 光纤 Bragg 光栅冲击信号监测系统  95-96
    4.3.2 冲击响应信号分析  96-98
  4.4 本章小结  98-99
第五章基于长周期光纤光栅的钢筋混凝土结构健康状态监测  99-125
  5.1 混凝土结构中的钢筋锈蚀机理  99-103
    5.1.1 钢筋锈蚀的电化学机理  99-100
    5.1.2 锈蚀后钢筋的体积膨胀效应  100-102
    5.1.3 氯离子对混凝土中钢筋锈蚀的影响机理  102-103
  5.2 钢筋锈蚀试验方法确定  103-105
    5.2.1 钢筋锈蚀方法的确定  103-104
    5.2.2 混凝土结构中钢筋锈蚀率的检测方法  104-105
  5.3 基于 LPFG 折射率特性的钢筋锈蚀监测研究  105-119
    5.3.1 钢筋锈蚀过程中环境离子变化机理及 LPFG 折射率特性研究  105-107
    5.3.2 钢筋锈蚀分阶段监测方法模型建立  107
    5.3.3 基于 LPFG 折射率特性的钢筋锈蚀传感器设计  107-109
    5.3.4 混凝土结构埋入实验  109-114
    5.3.5 混凝土埋入校正实验  114-117
    5.3.6 实验结果讨论  117-119
  5.4 基于 LPFG 横向负载特性的钢筋锈蚀监测研究  119-124
    5.4.1 基于 LPFG 横向负载特性的钢筋锈蚀传感器设计  119-120
    5.4.2 实验室环境原理实验  120-122
    5.4.3 传感系统温度补偿问题  122-124
  5.5 本章小结  124-125
第六章基于光纤光栅传感的沥青路面结构健康状态监测  125-146
  6.1 沥青路面结构的传力机理  125-127
    6.1.1 沥青路面内部应力分布机理  125-126
    6.1.2 沥青路面动水压力形成机理  126-127
  6.2 基于 LPFG 横向负载特性的沥青压力传感监测  127-131
    6.2.1 基于 LPFG 横向负载方向特性的沥青压力传感器设计  127-128
    6.2.2 沥青埋入实验  128-130
    6.2.3 分压装置设计  130
    6.2.4 实验结果与分析  130-131
  6.3 基于 FBG 应变特性的沥青路面压力传感监测  131-138
    6.3.1 基于 FBG 应变特性的沥青路面压力传感器设计  131-132
    6.3.2 基于 FBG 应变特性的沥青路面压力传感结构有限元仿真  132-135
    6.3.3 沥青埋入实验  135-138
    6.3.4 实验结果与分析  138
  6.4 基于 LPFG 微弯特性的动水压力传感监测研究  138-144
    6.4.1 基于 LPFG 微弯特性的动水压力传感器原理  138-141
    6.4.2 基于 LPFG 微弯特性的动水压力传感器设计  141-142
    6.4.3 实验系统  142-144
    6.4.4 实验结果与分析  144
  6.5 本章小结  144-146
第七章总结与展望  146-149
  7.1 全文的主要研究工作  146-147
  7.2 进一步研究展望  147-149
参考文献  149-162
致谢  162-163
在学期间的研究成果及发表的学术论文  163-164

光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用研究

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