土木工程结构用智能感知材料、传感器与健康监测系统的研发现状

随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，结构智能健康监测已经成为诸多领域的前沿研究方向。本文重点介绍了作者近年来基于智能感知材料的智能传感器及土木工程结构智能健康监测系统的研究成果。主要包括：光纤光栅应变和温度传感器与压电薄膜（PVDF）应变和裂缝监测传感器及其性能；无线传感器网络与无线传输技术及其性能与工程应用；碳纤维智能传感器与纤维增强-光纤光栅应变传感器及其性能；智能混凝土与智能混凝土标准应变传感器及其性能；智能健康监测系统及其工程应用。     

土木工程结构智能感知材料、传感器与健康监测系统

随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径,结构智能健康监测已经成为诸多领域的前沿研究方向.本文重点介绍了作者近年来基于智能感知材料发展的智能传感器及土木工程结构智能健康监测系统的研究成果.主要包括光纤光栅应变和温度传感器与压电薄膜(PVDF)应变和裂缝监测传感器及其性能;无线传感器网络与无线传输技术及其性能与工程应用;碳纤维智能传感器与纤维增强-光纤光栅应变传感器及其性能;智能混凝土与智能混凝土标准应变传感器及其性能;智能健康监测系统及其工程应用.最后,介绍了我国在重大工程结构智能健康监测领域的立项情况.     

基于灵敏度的平板结构多类型传感器优化布置

多类型传感器信息融合的损伤诊断是结构健康监测领域的一个热点方向,并且基于多种类型传感器信息融合的损伤识别技术必然依赖于考虑多传感器信息互补的传感器优化布置技术。因此,该文以灵敏度分析为理论基础,以结构损伤识别为目标,对于监测平板结构的加速度传感器、光纤光栅(FBG)应变传感器以及压电陶瓷(PZT)传感器三种类型传感器的位置与数目进行优化。分别考虑环境噪声、边界效应等因素,用灵敏度计算比较不同类型传感器(包括加速度传感器、FBG应变传感器和PZT传感器)达到相同损伤识别效果所需数目,分析各类型传感器对结构损伤敏感的布置位置,并研究能达到识别结构任意位置一定程度损伤所需多类型传感器总和最小的数目。最后,进行平板结构模型仿真分析,验证该方法有效性和可靠性。     

FBG智能传感器及其在土木工程中的应用研究

光纤光栅传感器已经越来越得到土木工程界的认可,并应用到了实际工程.针对大型土木工程结构长期健康监测的变形监测需要,在光纤光栅传输理论的基础上,分析了光纤光栅应变与温度传感特性以及光纤光栅应变传感的温度补偿原理和方法;研制开发出满足工程应用的光纤光栅封装传感器、FRP-OFBG复合智能筋、光纤光栅智能拉索;此外,考虑传感器开发和工程应用的需要,研究了光纤光栅应变传感的界面传递机理和误差修正.最后,建立了光纤光栅智能监测系统,并成功地将光纤光栅传感器应用到实际桥梁结构的施工与运营监测.     

混凝土结构的光纤光栅智能监测技术

根据混凝土结构的内部应变监测需要，提出了光纤光栅管式封装应变传感器，并对其传感特性进行了研究；探讨了光纤布拉格光栅传感元件在混凝土结构中的布设工艺，并用光纤光栅监测了水泥净浆的固化过程；用管式封装光纤光栅与裸光栅对钢筋温凝土梁进行了应变监测；最后将光纤光栅传感器成功地应用于黑大公路大桥。     

一种简易测试光纤光栅应变测量系统的方法

针对光纤光栅应变测量系统应用测试问题,基于悬臂等强度梁应变实验,对比理论计算、光纤光栅应变传感器及电阻应变片的三种应变测量方法,得出光纤光栅应变测量系统具有较好的可靠性和准确性。以国外可靠光纤光栅应变测量系统为参照,提出了简易测量光纤光栅应变传感器和光纤光栅传感分析仪性能的方法。针对准分布式监测问题,主要分析了光分路器对光纤光栅传感应变测量的影响。上述分析为光纤光栅应变测量系统在工程中的应用提供充分依据。     

复合材料胶层光纤布格光栅应变监测优化配置研究

航空航天用复合材料粘接胶层在制造和服役过程中不可避免会产生各种缺陷和损伤。针对其粘接胶层缺陷和损伤检测,基于光纤光栅应变传感原理,提出一种针对复合材料胶接层结构应变监测的光纤光栅传感网络优化配置的方法。通过仿真和实验研究了埋入复合材料构件胶接层的光纤布拉格光栅传感器在静载作用下的敏感区域分布特性,分析了载荷位移与布拉格波长漂移的关系,建立符合光纤布拉格光栅传感器实际特点的探测模型,采用粒子群优化算法进行光纤光栅传感网络的优化布置,研究结果表明光纤布拉格光栅传感器位置经优化后,覆盖率得到明显提高。     

一种用于低频测量的光纤光栅振动传感器

利用光纤光栅敏感技术,设计了一种用于低频测量的光纤光栅振动传感器.该传感器采用了等强度悬臂梁作为振动传感元件,并在等强度悬臂梁的上下双面优化布置性能匹配的两个光纤光栅,一个为振动敏感测量光栅,另一个为信号匹配滤波解调光栅.该结构设计可以补偿温度的不利影响,同时也提高了传感器信号检测的灵敏度.实测结果表明,该传感器可以用于25 Hz以下的低频目标的振动测量.     

冲击荷载下基于埋入式光纤光栅传感器的混凝土动态应变测试

为实现冲击荷载下混凝土材料内动态应变的直接测量,研制了基于光纤Bragg光栅的混凝土光纤光栅应变传感器。将光纤光栅传感器埋入混凝土试件在SHPB装置上进行了冲击试验,由光纤传感器和粘贴于试件表面的电阻应变计分别测量了试件内和表面的动态应变。利用测量结果分析了混凝土在冲击荷载下的动态应力应变响应。对测量结果的分析和比较表明,采用埋入光纤传感器来实现混凝土结构内应变直接测量的方法可行、合理,研制的光纤光栅传感器适合于混凝土内动态应变测量,可更广泛地应用于混凝土、岩石等介质的动态性能试验及结构的动态响应测试中。     

双光纤光栅高频加速度传感器的研究

研制了一种新型双光纤光栅加速度传感器,并对该传感器的工作原理和基本特性进行了理论分析,实测表明,这种新型双光纤光栅加速度传感器可在5?2000Hz频率范围内获得稳定的振动信号。这不仅解决了传统悬臂梁FBG加速度传感器难以实现高频振动测量的问题,而且具有温度自补偿、谐振频率高、使用方便等优点,在高频测量中具有广阔的应用前景。     

考虑混凝土基体蠕变的FBG传感器应变传递研究

为研究光纤光栅应变传感器在混凝土结构中的长期监测性能,需考虑混凝土基体的长期蠕变效应对传感器应变传递率的影响。以玻璃纤维增强塑料(GFRP)封装的埋入式光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器为研究对象,引入混凝土蠕变本构,进行应变传递分析,并通过有限元计算对理论分析结果加以验证。研究表明传感器的平均应变传递率随着混凝土基体的蠕变发展而逐渐降低,蠕变的影响不可忽略,需进行误差修正。在此基础上,利用平均应变传递率公式,可对光纤光栅传感器的选型提供一定参考。     

FBG传感器在复合材料结构健康监测上的应用

把传感器集成到结构中,实现在线实时评估或警告结构损伤情况,是未来航空航天工业发展的必然选择.近些年来,光纤传感系统受到了越来越多的关注,尤其是在先进复合材料结构健康监测方面.光纤传感器中应用最多的是光纤光栅( FBG)传感器,它不仅可以在线测量结构的应变,进而间接测量结构的健康状况,还可以直接检测和评估复合材料结构的损伤情况,如横向裂纹,脱层损伤等,从而实现对结构的健康监测.     

基于光纤Bragg光栅传感的轴向柱塞泵非介入式振动测量方法

振动信号是机械设备故障诊断的重要信息来源。为克服传统检测方法需对系统进行拆卸的问题,创新性地利用光纤光栅传感方法对液压泵进行非介入式振动测量,充分发挥光纤传感的抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、稳定性好、测量敏感度高等优点。对光纤光栅振动传感原作了分析,设计、仿真分析了双等强度悬臂梁式光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)振动传感器,在此基础上利用光纤光栅解调系统和振动试验台对传感器的性能进行实验验证,得到该传感器灵敏度为0.024 nm/(m·s~(-2)),固有频率为185 Hz,并且线性度较好;对轴向柱塞泵模态分析,优化布置传感采样点,实际测量泵的振动信号。研究结果可为液压泵非介入式状态监测和故障诊断提供可靠数据支持。     

光纤光栅传感器应变传递影响参数研究

当光纤光栅传感器埋设在结构中或粘贴于结构表面后,由于中间层的存在使结构的真实应变和光纤光栅传感器所测得的应变之间存在一个传递系数。在已有的应变传递理论的基础上,经过分析得出影响光纤光栅传感器应变传递的主要因素,它们是光纤光栅传感器的长度、中间层的厚度、弹性模量和泊松比。结果表明,光纤光栅传感器平均应变传递随着传感器长度的增加而升高,随着中间层厚度的增大而降低,随着中间层的弹性模量的增加而增大;中间层的泊松比对平均应变传递率的影响很小,在设计中可以忽略。     

根键式桥墩的光纤光栅传感网络应用研究

论述了光纤光栅传感网络在根键式桥墩应变分布实验测量中的应用研究。根据对桥墩应变点分布情况的有限元法分析,在大桥成桥过程中成功地布置了相适应的光纤光栅传感网络。传感网络共分10层,每层布置8个光纤光栅应变传感器和1个温度传感器,布设的传感器在桥墩的静载荷实验过程中监测结构层的状态。监测结果表明：所布设的光纤光栅传感网络在桥墩12次加载,每次载荷2352kN（240t）的过程中,能正确反映桥墩结构层面的变化,为桥梁的安全载荷运营提供了可靠的依据。     

裸光纤Bragg光栅传感器工程特性试验研究

裸光纤Bragg光栅传感器结构纤巧,具有其它光纤光栅传感器无法比拟的结构优势。本文以等强度梁作为试验装置,通过对裸光纤Bragg光栅传感器的静态特性参数和动态响应特性进行的标定试验,验证了裸光纤光栅传感器在工程上直接应用的可能性。试验结果表明：裸光纤光栅传感器线性好,灵敏度较高,动态响应特性好,能够满足普通工程应用现场应力、应变的测量需求。     

GFRP封装光纤光栅应变传感器疲劳性能研究

针对光纤光栅传感器疲劳性能不佳制约其工程化应用的问题,该文对一种高疲劳玻璃纤维增强聚合物(glassfiber reinforced plastic,GFRP)封装的光纤光栅应变传感器进行疲劳性能研究。首先,介绍该传感器的结构型式,并进行静态性能标定。然后,通过疲劳实验研究传感器在长期荷载作用下的疲劳性能,设置应变为10 000,8 000,7 000,6 000,2 000με,采用等幅正弦波加载方式,加载频率为10 Hz。实验结果表明:传感器的非线性误差均小于2%,重复性误差均小于0.5%,灵敏度系数略有波动,其值均小于2%,在6 000με条件下疲劳寿命可达200万次以上。传感器各项性能参数满足结构长期安全监测需求,具有较高的抗疲劳能力。最后给出的传感器疲劳寿命曲线,可为传感器剩余寿命预报及传感器的更换提供参考。     

内埋光纤光栅的复合材料层压板拉伸应变研究

利用内埋在复合材料层间的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器监测复合材料层压板在拉伸过程中的应变变化,并与复合材料层压板试样表面粘贴的应变片测得数据进行对比,同时研究了光纤光栅的埋植位置对复合材料力学性能的影响。探索了FBG传感器在复合材料应变监测中的有效性和可靠性。结果表明:内埋于复合材料层间的FBG传感器可以有效反映复合材料层压板在受到拉伸载荷过程中的应变变化,对比FBG传感器与应变片测得的实验结果,二者所测得的应变变化趋势吻合良好,而且埋植光纤光栅对复合材料层压板的拉伸强度影响较小。     

基于输出预估自抗扰策略的加筋壁板结构多模态振动主动控制

针对加筋壁板结构中存在的模型难以精确确定和多模态外界干扰等问题,基于加速度传感器,提出了一种不依赖结构精确数学模型的多模态线性自抗扰振动主动控制(Linear Active Disturbance Rejection Control)策略。由于加速度传感器和压电驱动器的异位配置不可避免地使得整个控制系统存在时延。为解决该问题,利用Smith预估器的原理,引入输出预估器来补偿时延,这样设计的自抗扰振动主动控制器能够很好地解决时延对结构振动性能的影响。基于dSPACE实时仿真平台、利用加速度传感器、压电片驱动器,设计并建立四面固支压电加筋壁板结构实验系统,对提出的控制方法进行试验比较研究。最后的试验结果表明,采用提出的具有输出预估功能的自抗扰振动控制器,能够快速有效地抑制结构的多模态振动。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。