光纤传感器对混凝土结构钢筋腐蚀监测的研究

本文报道了光纤传感器用于混凝土结构钢筋腐蚀监测的实验研究结果。该传感方案基于用Fe-C合金膜局部取代光纤介质包层,构成腐蚀敏感膜,从而获取金属腐蚀信息。为了监测钢筋在实际混凝土结构中的腐蚀行为。本文提出了可以埋入到结构中的光纤腐蚀传感器（FOCS）,并对埋入工艺进行研究,通过人造裂缝将防冰盐（NaCl）溶液加入到混凝土结构钢筋处并进行加速腐蚀,用紧贴钢筋铺设的FOCS监测钢筋腐蚀过程中输出光功率的变化,结果表明FOCS输出光功率变化和腐蚀介质的pH值变化有良好的对应关系,并与腐蚀电化学理论描述相一致,证实了所提传感器方案的可行性。     

基于分布式布里渊光学时域反射的光纤腐蚀传感器的实验研究

研究开发了一种用于监测钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的基于分布式布里渊光学时域反射(BOTDR)的光纤腐蚀传感器,探讨了布里渊传感技术中有效测点的选择方法,并推导了适用于布里渊光纤腐蚀传感器的钢筋腐蚀定量评价公式。利用电化学加速腐蚀实验系统对埋入混凝土试件中的布里渊光纤腐蚀传感器的性能进行了实验研究,利用推导的钢筋腐蚀定量评价公式和布里渊分析仪采集到的数据对钢筋腐蚀的程度进行了实时监测。实验研究表明,该传感器能够有效监测钢筋的早期腐蚀,并实现了对腐蚀的准分布式、实时和定量测量。布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率δ的有效监测范围约为0.0~0.1%,分辨率约为1.1×10-5。     

应用FBG应变箍传感器的管道安全监测研究

为了对管道的腐蚀以及泄漏进行长期、实时监测, 研发了一种光纤Bragg光栅(FBG)应变箍传感器,利用研发的传感器测量管道的环向应变,通 过环向应变的测量实现管道腐蚀以及泄漏的监测。为了探讨本文方法的可行性,将研发的FB G应变传感器安装在PVC管道上,进行腐蚀与泄漏的模拟实验,实验结果表明,研发的FBG应 变箍传感器可以测量到管道壁厚变化以及泄漏产生的负压波信号。表明用研发的传感器进行 管道腐蚀以及泄漏的方法是可行的。     

基于光纤Bragg光栅的生物膜厚度及温度传感器

提出一种基于单端腐蚀结构的光纤Bragg光栅(FBG),用于膜反应器内生物膜厚度和温度的同时测量.给出单端腐蚀FBG对外部介质折射率(SRI)与温度同时测量的理论模型,制作腐蚀区直径约为7.1～7.4μm的单端腐蚀FBG传感器.实验结果表明,传感器在SRI为1.333～1.355内具有较好的线性度,折射率灵敏度为6.8...     

基于参考光栅的光纤光栅应变传感器温度补偿

为解决光纤布拉格光栅（FBG）应变测量时的应变、温度交叉敏感问题，利用FBG便于构成传感网络的优点，将温度补偿参考FBG与应变测量FBG串联在一路光纤上，根据2只FBG布拉格波长相对漂移获得被测结构应变。双FBG波长相对漂移对温度的灵敏度仅为0．12pm／℃，较好地实现FBG应变测量的温度补偿。参考FBG法原理简单，可操作性强，为FBG应变传感器的实际工程应用奠定了基础。     

基于高阶模干涉的光纤应变传感器

介绍一种利用光纤内的高阶模干涉原理实现对应变测量的新型光纤应变传感器.在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与光纤布拉格光栅(FBG)相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍,非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点.     

混凝土中基于预埋式LPFG波长解调的耐久性健康监测

为了实现混凝土结构的耐久性健康监测,提出基于长周期光纤光栅(LPFG)折射率特性,将LPFG预埋入混凝土结构中,通过对LPFG的波长解调,实现钢筋锈蚀监测。钢筋发生锈蚀后,钢筋钝化层表面附近Cl-浓度的改变将影响钢筋周围混凝土的折射率,对LPFG进行波长解调并进行温度补偿,获知环境折射率变化进而判断钢筋的锈蚀程度。实验结果表明,钢筋锈蚀率达到12.6%时,对应的锈水折射率1.353 6仍小于LPFG可监测到的折射率范围,并实验获得了LPFG谐振波长漂移量与钢筋锈蚀率之间的对应关系。本方法无需化学试剂,全光纤化,能够准确地实现混凝土结构中钢筋锈蚀的早期至中期监测。     

碳纤维强化聚合物封装的FBG传感器制备与特性试验

采用碳纤维强化聚合物(CFRP)对光纤Bragg光栅(FBG)进行封装,研制出用于测量混凝土内部应变的FBG应变传感器,分析了传感器轴向应变分布与结构参数的关系.通过在等强度梁和霍普金森压杆(SHPB)上的试验,得到了FBG传感器的静态性能指标和动态响应特性,结果表明,FBG应变传感器线性度≤1%,埋入混凝土结构内的F...     

基于Fabry-Perot光纤应变传感技术的监测系统

介绍了外腔式光纤法布里-珀罗(F-P)应变传感器的基本原理和信号调理技术。设计了基于F-P应变传感技术和虚拟仪器技术的结构应变实时监测系统并应用于桥梁健康监测现场。现场应用结果表明,法布里-珀罗光纤传感器与传统传感器相比具有响应速度快、动静态测量、绝对测量、抗电磁干扰和易于与钢筋、混凝土复合等特点,适用于桥梁等结构的应变测试。所设计的应变监测系统可用于结构健康状态的在线监测。     

混凝土中钢筋锈胀分布式光纤监测试验研究

采用布里渊光时域反射测量技术（BOTDR）,对混凝土中钢筋锈蚀引起的混凝土膨胀进行了在线分布式光纤监测试验研究。在质量分数为5%的氯化钠溶液中放置两个钢筋混凝土柱模型,并对其中一个混凝土柱中的钢筋通电加速其锈蚀,然后通过BOTDR得到的分布式监测数据对比两者的锈蚀变形。试验结果表明,基于BOTDR的分布式光纤监测技术,能够有效地定量监测钢筋锈蚀引起的外围混凝土膨胀变形的过程,尤其对于钢筋的非均匀锈蚀,这一技术更显示出其突出优越性,为混凝土中钢筋锈蚀监测提供了一种新的技术和方法。     

Modification of the wavelength-strain coefficient of FBG for the prediction of steel bar corrosion embedded in concrete

The corrosion of steel bar embedded in concrete can be detected from the Bragg wavelength shift of the fiber Bragg gratings (FBGs) winding around the steel bar. Previously, when the steel bar in concrete is surrounded by the FBG, the corrosion, which is proportional to the expansion of the bar cross-section, was predicted simply from the well known relationship of the Bragg wavelength shift and the only axial strain of the FBG. However, as the FBG is embedded in the concrete, stresses from all directions will apply to it. In this case, the Bragg wavelength change will attribute to stresses coming from the axial strain as well as the lateral strain. Therefore, the relation between the Bragg wavelength shift and the axial strain of FBG should be modified. We use a cylindrical and elastic model to analyze the strain distribution of a steel bar embedded in the concrete, and obtained a new relation between the Bragg wavelength shift of the FBG wrapped around the steel bar and the axial strain of the fiber. With this modified coefficient the corrosion of the steel bar embedded in the concrete can be predicted more accurately.     

薄壁应变筒式光纤光栅压力传感器的研究

设计并制备了一种金属薄壁应变弹性筒式光纤光栅压力传感器,将FBG1和FBG2分别沿着轴向和周向粘贴在该结构内筒外壁上,FBG2用来测量压力,FBG1是温度补偿光栅.通过择优选取不锈钢(Cr18Ni9)材料作为基材,优化结构内筒径与内筒壁厚的比例,测得压强达到40 MPa,压力响应度达到0.033 nm/MPa,与普通的裸光纤光栅压力传感器相比较,增大了测量范嗣,提高厂响应度达11倍.实验结果表明,通过凋整传感器结构的参数,如基材和几何尺寸等,可以使该结构压力传感器满足不同的测量范围和响应度.     

一种内嵌喷嘴差压式FBG流量传感器

针对传统液压系统流量测量中存在的传感器体积 较大、测量精度不高等问题,研究并设计一 种内嵌喷嘴差压式光纤 Bragg 光栅(FBG ) 流量传感器。在分析 FBG 及差压式流量测量原理的基础上, 选用标准喷嘴作为节流元件,通过将 FBG 沿径向粘贴于圆形平面膜片上,敏感被测流体经过喷嘴节流口 后在两侧所产生的压力差。推导了 FBG 中心波长偏移与被测流体流量变化之间存在的数学关 系,并通 过试验平台测量了传感器的静压特性以及动态流量特性。测试结果表明,传感器中 FBG 平面膜片的静压力 差压灵敏度为 0.712nm/MPa ,而差压式 FBG 流量传感器的灵敏度为 0.067L/s 。本文传感器具有测量精度高、 体积较小和环境适应能力强等优点,且易于实现传感复用并构成准分布式检测网络。     

海洋FBG压力及温补传感器温度响应一致性研究

为满足船载拖曳式全光纤海洋温深剖面连续测量的要求,测量海水深度的光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器利用FBG温度传感器作为其温补传感器。由于二者对温度同时敏感且对海水温度的响应时间存在不一致性,导致在拖曳测试海水压力时有所偏差。针对这一问题,本文对传感器的温度响应一致性进行分析研究。通过对FBG温度传感器的外管加装绝热材料,使其与FBG压力传感器的温度响应时间接近一致。通过海试验证,FBG压力传感器与标准传感器ALEC(亚力克)具有较高的测量相关性。     

基于双光纤光栅的加速度传感探头结构的设计

分布式光纤光栅加速度传感技术对微弱振动测量分析及其故障诊断具有重要的实用价值。采用副载波调频、波分复用技术提出了一种分布式光纤布喇格光栅加速度测量系统,并进行了基于双光纤布喇格光栅的加速度传感探头结构的设计。该传感探头具有尺寸小,质量轻,不受电磁干扰等优点,有较高的测量灵敏度和分辨率,而且能自动消除温度噪声和相位噪声的影响。     

Design and experimental study on FBG hoop-strain sensor in pipeline monitoring

Pipeline monitoring is an important task for the economic and safe operation of pipelines as well as for loss prevention and environmental protection. The circumferential strain is of significance in pipeline integrity monitoring. In this paper, an indirect pipeline corrosion monitoring method based on the circumferential strain measurement is firstly proposed, with main objectives at designing a circumferential strain measuring device. Combined with unique advantages of optical fiber sensing, an FBG hoop-strain sensor was designed and encapsulated. Its enhanced sensitivity mechanism in the circumferential strain measurement and manufacturing technique is detailed. The experimental study of the developed FBG hoop-strain sensor is conducted on a PVC model pipeline to investigate its characteristics, including reliability and some tentative dynamic tests. Results of model tests show that the FBG hoop-strain sensor demonstrates good performance in the circumferential strain measurement, and can be considered as a practical device for pipeline health monitoring.     

一种双梁互补式光纤光栅位移传感器及在地铁隧道变形监测中的应用

本文提出了一种双梁互补式光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)位移传感器,实现了正负双向位移的测量。采用双“悬臂梁+楔形滑块”的结构,当一个悬臂梁受位移作用处于变形状态时,另一个悬臂梁不变形并提供温度补偿功能。传感器处于零值测点状态时,两个悬臂梁处于零弯曲状态,且双梁互为温度补偿,消除了温度影响。通过性能测试实验证明,该传感器在±50的量程内,灵敏度为29.369 pm/mm,测量重复性好。制备出8个传感器应用于某市地铁的变形安全监测,从道床沉降、道床环缝、管片环缝3个方面开展了变形测量。在长期监测期间,传感器工作稳定,被测结构变形状态稳定,表明该传感器具有良好的测量性能,适用于长期的结构健康监测。     

Research on novel pressurized fiber Bragg grating static level based on circular structure

The static levelling system has significant value in the settling measurement of the structures. A novel pressurized static level based on circular structure is designed by using fiber Bragg grating (FBG) sensing technology in this research. The variation of the level pressure in the connecting vessel can be transmitted through the diaphragm to the FBG of the circular ring. The Ritz method is used to calculate the lateral deformation of the circular ring under the concentrated force, constructing the theoretical sensitivity model of the sensor. Further, finite element simulation and static experiments are applied to modify and verify it. According to the experimental data, two FBGs arranged horizontally along the circular ring, multiplying the sensitivity of the FBG static level to about 4.75 pm/mm, while the resolution can reach 0.02 mm. In addition, the temperature compensation of the sensor can be realized by the synergistic change of the measurement point and the reference point within the system of connecting vessel.     

光纤光栅在金属锈蚀传感中的应用

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)应变敏感特性的金属锈蚀传感器。该器件由光纤光栅、有预应力的钢弹簧和一些机械部件组合而成。组合后的弹簧处于压缩状态。在弹簧弹力的作用下,光纤光栅的峰值波长增长了3.2 nm。对该器件进行了加速腐蚀实验:将其放入盐酸环境中,逐日监测光纤光栅峰值波长的变化,发现峰值波长逐渐缩短,说明弹簧的弹性系数随着弹簧的锈蚀而逐渐减小。到弹簧锈蚀断裂,整个锈蚀过程持续了1315 h,平均锈蚀速率约5μm/d。实验表明了该传感器在实际应用中的可能性。同时讨论了光纤光栅的温度效应及其他影响其实用性的因素。