光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用

详细阐述光纤光栅传感器的结构及布拉格光纤光栅传感器的工作原理。重点介绍结构健康监测系统构成、光纤光栅传感器系统的信号处理、安装等方面问题;展望光纤光栅传感器在结构健康监测领域中的前景。     

面向矿山安全物联网的光纤传感器

针对矿山安全监测系统中传统电子传感器存在的精度低、可靠性差、维护工作量大、有监控盲区等问题,提出采用光纤传感器与无线传感器构建煤矿人、机、环多维度、多参数、大容量监测系统;介绍了光纤传感器在矿山安全监测系统中的应用优势,重点介绍了激光光谱分析气体传感器、光纤光栅物理量传感器、光纤分布式温度传感器等矿用传感器的工作原理;以煤矿安全监控系统中的激光甲烷传感器、矿山微震监测系统中的光纤加速度传感器及采空区火灾监测预警系统中的光纤分布式温度传感器为例,介绍了矿用光纤传感器在矿山安全物联网中的应用情况。     

光纤光栅传感器在公路隧道衬砌结构安全监测中的应用

从工程实用角度归纳了光纤光栅传感器相对于其他传统监测仪器的主要优势,阐述了其在隧道结构安全监测中的适宜性.在此基础上结合某公路隧道衬砌结构的薄弱部位和具体条件,设计了现场自动化监测和无线数据通信系统,采用光纤光栅传感器对隧道支护结构的变形和受力状态进行了实时监测实验,结果真实有效地反映了结构物的运行性态,表明光纤光栅传感器在公路隧道结构安全监测中具有良好的实用效果.     

基于DSP的PCI采集处理卡在结构状态监测系统中的应用

针对某建筑结构状态智能监测系统中使用的新型光纤光栅应变传感器的特点,设计了一种基于DSP的PCI高速采集处理卡,实现了对应变传感器输出的多路脉冲信号进行高速采集和处理.介绍了光纤光栅应变传感器,并对采集处理卡在监测系统中的应用进行了详细说明.     

基于短栅区光纤光栅传感器的油气管线腐蚀在线监测系统研究

基于短栅区光纤光栅传感器设计了一种油气管线腐蚀在线监测系统。对应油气管线外表面周向非线性应变,该系统可以测量油气管线腐蚀缺陷,保障管线安全运行。通过对管线圆柱型腐蚀缺陷周向应变特性及光纤光栅应变传感模型的理论分析,设计了3mm短栅区光纤光栅的应变传感阵列,并在模拟油气管道上验证了测量圆柱型缺陷表面周向非线性应变的可行性。结合波分复用、时分复用技术及光纤光栅解调系统可以组成解调7×7个应变及1个温度补偿共计50个光纤光栅传感器的在线监测系统。该系统已应用于中海油渤南龙口天然气终端处理厂,监测结果表明该在线监测系统稳定可靠,是监测油气管线腐蚀状况,保障管线安全运行的一种有效可靠方法。     

基于光纤光栅振动传感器的桥梁索力实时监测

将研制成功的光纤光栅振动传感器以及桥梁索力实时监测系统应用于武汉长江二桥进行索力长期远程实时监测.光纤光栅振动传感器输出的信号可在光纤中进行远程传输,能在任何气候条件下长期稳定工作,适合于桥梁拉索索力的长期远程实时监测;开发的桥梁索力实时监测系统软件,具有拉索特征频率自动识别能力,可以实时进行索力计算.通过对武汉长江二桥拉索索力的实时监测,得到了桥梁索力的分布及其运行状况,为桥梁安全评估提供了可靠的依据.该系统可推广应用于其他大型斜拉索桥.     

基于光纤光栅传感的桥梁监测采集系统

光纤布喇格光栅对应力应变或温度微小变化而产生相应的中心波长变化,对该波长进行编码,利用角度调谐法布里-珀罗滤波器实现波长的调谐,指出了对解调仪同一通道选择传感器应参考中心波长的差异;通过光纤光栅传感器构建了一个实际应用的分布式光纤光栅传感采集网络,并结合嵌入式数据库,详细设计了采集系统软件模块,该系统在国内多座大型桥梁健康监测中得到应用,为桥梁健康监测系统提供了长期在线和准确可靠的海量数据.     

光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用

分析了光纤光栅传感技术原理及其优势,并介绍了其在煤矿安全监测系统中的典型应用。基于光纤光栅传感原理研制的各类矿用传感器可以实现对顶板压力、顶板离层、渗漏、采空区温度、竖井安全度、滑坡位移等的监测。     

布拉格光栅传感器应用实例

由于环境等各种不利因素的影响,隧道二次衬砌应力、应变状态的长期监测受到人们的重视.分析了光纤光栅传感器传感原理,将光纤布拉格光栅传感器应用于新厂隧道二次衬砌应力、应变监测.光纤布拉格光栅传感器所采集的数据通过隧道分析软件生成隧道应变位移图与隧道各测点时空图进行对比.通过隧道分析软件生成的隧道应变位移图能更直观的表现隧道断面受力及位移情况.     

光纤布拉格光栅传感技术在隧道火灾监测中的应用研究

针对公路隧道存在潜在的火灾问题,提出一种利用环氧树脂封装而成的光纤布拉格光栅传感器对隧道火灾进行监测,分析了其基本原理及温度传感特性,实验结果表明封装后的光纤光栅的温度传感灵敏度约是裸光栅的2.75倍.再利用光纤光栅多区波分复用技术,设计了一套基于光纤布拉格光栅传感技术的隧道火灾报警监测系统.结合现场模拟监测实验,证明该系统灵敏度高、数据准确,能够对隧道火灾报警方位进行精确判断,为隧道火灾的预警和救灾赢得时间.     

非增强式原型封装光纤Bragg光栅钢筋应变计

为了适应量大面广的重大土木工程结构的长期健康监测,特别是克服恶劣的施工与服役环境(如,腐蚀、疲劳等),封装的光纤Bragg光栅(FBG)应变计不仅必须要有很好的测试精度、布设可靠等特性,还必须具有优越的性价比。针对这一实际应用要求,提出了一种非增强式原型封装光纤光栅钢筋应变计,并通过静载试验对其传感特性进行了研究。研究结果表明:试验结果与理论分析基本吻合,光纤光栅的波长变化与应变存在很好的线性关系,其相关系数均达到0.999以上,并具有很好的重复性;通过管内外应变对比试验说明:此钢筋应变计对钢筋几乎没有加强作用,能如实地反映钢筋应变。     

基于FBG的半潜式平台关键节点疲劳响应监测试验研究

半潜式平台在深海服役期间其关键部位的疲劳响应监测和超载预警是至关重要的。基于光纤布拉格光栅(FBG)监测原理,对半潜式平台结构关键节点进行了疲劳响应监测试验研究和疲劳损伤后的极限强度监测试验研究,通过FBG与应变计监测结果对比,分析了节点应变和位移变化规律,探讨了平台结构节点疲劳响应和疲劳剩余极限强度的监测方法。试验结果表明,FBG的疲劳响应监测值与应变计的监测值接近,曲线变化趋势一致,应变变化规律与位移变化规律比较吻合。FBG传感器能够监测到结构节点的疲劳响应和疲劳剩余极限强度的变化,可以为半潜式平台结构的安全评估和运行维护提供参考。     

缆索内置光纤光栅传感器胶接植入试验研究

为实现光纤光栅传感器胶接固定于桥梁缆索钢丝以监测缆索索力,利用胶接结构的剪切测试、钢丝疲劳测试和循环加卸载测试分别对光纤光栅传感器支座与钢丝间胶接结构的剪切性能、疲劳可靠性以及胶接光纤光栅传感器的测试性能进行评估.试验发现:光纤光栅传感器支座与桥梁缆索钢丝间的胶接结构具有较大的剪切载荷,且200万次疲劳载荷对其胶接结性能影响较小;胶接固定于钢丝上的光纤光栅传感器可测出钢丝加卸载的滞回效应,并每个循环加、卸载的波长和钢丝承载载荷关系呈线性且分别重合.结果表明:内置光纤光栅传感器的胶接固定结构具有良好的剪切力学性能和疲劳可靠性,可保证其光纤光栅传感器的测试具有良好的准确、稳定、可靠性.     

基于分布式FBG的钢轨动静态载荷监测研究

针对铁道领域钢轨应变监测需求,提出一种基于光纤Bragg光栅（ FBG）传感器的钢轨应变监测系统。从静态载荷监测角度,研究了不同加载位置的FBG传感器中心波长随加载载荷大小变化的关系。从动态载荷监测角度,研究了循环加载状态下的各FBG传感器中心波长偏移量特性。研究表明：在静态载荷作用下,各FBG传感器中心波长偏移量均随加载载荷增大而呈现良好线性变化关系,且传感器对载荷加载距离和角度变化较为敏感。在动态循环载荷作用下,FBG传感器网络能够较好地实现对钢轨应变和温度参量的实时监测。这些研究为钢轨应变与损伤分布式在线监测技术提供了有益借鉴。     

Fibre Bragg gratings in structural health monitoring—Present status and applications

In-service structural health monitoring (SHM) of engineering structures has assumed a significant role in assessing their safety and integrity. Fibre Bragg grating (FBG) sensors have emerged as a reliable, in situ, non-destructive tool for monitoring, diagnostics and control in civil structures. The versatility of FBG sensors represents a key advantage over other technologies in the structural sensing field. In this article, the recent research and development activities in structural health monitoring using FBG sensors have been critically reviewed, highlighting the areas where further work is needed. A few packaging schemes for FBG strain sensors are also discussed. Finally a few limitations and market barriers associated with the use of these sensors have been addressed.     

FBG传感器在复合材料固化监测中的应用

FBG传感器广泛应用于复合材料结构健康监测中,将双光栅的FBG传感器埋入到玻璃纤维/环氧树脂预浸层合板结构中,监测热压固化过程中温度、内应力变化以及固化残余应变,分析了残余应变对FBG传感器性能的影响。实验表明FBG传感器可以有效监测复合材料结构固化过程的温度和内应力,以及由温度计算的粘度变化,为智能固化控制提供依据,且固化于复合材料结构内的传感器可用于结构的全服役周期健康监测。     

增敏微型FBG应变传感器设计

提出了一种两端夹持套管封装的光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器,其结构包括光纤光栅、夹持套管、尾纤3部分,夹持套管封装的传感器尺寸小,可以改变灵敏度系数,测量精度高,适用于应变较小、受尺寸限制的室内模型试验.测试结果表明:增敏微型FBG应变传感器灵敏度高、低噪、稳定可靠,在标距范围内线性关系良好,线性度均达到0.999以上,制作工艺简单,具有很高的实用价值.     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

横向非均匀应变作用下光纤光栅的特性分析

对光纤布拉格光栅在横向非均匀应变场作用下的光谱畸变特性,进行了详细的理论分析和研究.采用耦合模理论和传输矩阵法,建立了横向非均匀应变下光纤布拉格光栅的数学模型,并应用龙格-库塔的数值分析方法和传输矩阵法分别对线性分布的、二次曲线型分布的以及正弦型分布的等非均匀应变下的FBG反射谱特性进行了仿真分析.通过仿真分析建立了三种类型应变下的FBG反射谱与应变的关系,两种分析方法得到结果基本一致.     

安装于低模量基体的FBG传感器误差分析

FBG传感器广泛应用于基体结构的应变测量,由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体并非直接接触,导致测量应变产生一定的损失,因此需要研究光纤应变与基体应变的关系用以提高测量精度。建立了一个FBG传感器应变传递模型,并利用有限元验证其正确性,利用文中理论对各个参数对应变传递率的影响进行详细的分析;理论解和有限元解误差在3%以内。本文理论满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。