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.     

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。     

FRP-OFBG智能复合筋及其在加筋混凝土梁中的应用

结合纤维增强聚合物(FRP)的强度特性和光纤光栅(OFBG)的感知特性,研制开发出了FRP-OFBG智能复合筋,研究了它的力学、微观结构、感知等特性。通过FRP-OF-BG加筋混凝土梁静载试验,监测了FRP筋的应变和混凝土开裂,研究了FRP筋与混凝土的滑移和混凝土梁的应变分布。结果表明,FRP-OFBG智能复合筋克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题,是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程材料,既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件,也可以作为结构受力筋,具有很好的应用前景。     

混凝土结构用智能FRP筋的试验研究

在纤维增强聚合物Fiber Reinforced Polymer (FRP)筋拉挤工艺中,将光纤布拉格光栅Optic Fiber Bragg Grating(OFBG)传感器与普通纤维束一起经过拉挤模具,为改进FRP筋与混凝土的粘结性能,在FRP筋表面螺旋缠绕纤维束,制备了智能OFBGFRP筋.对OFBG-FRP筋的力学性能和应变灵敏性能进行试验研究,试验结果表明OFBG-FRP筋的力学性能与普通FRP筋相同、OFBG-FRP筋的应变灵敏系数与普通光纤传感器相同、OFBG-FRP筋在重复荷载作用下性能良好.OFBG-FRP加筋混凝土梁受弯试验表明OFBG-FRP筋可以监测混凝土梁的开裂和FRP筋与混凝土的滑移.在OFBG-FRP筋中埋置多个光纤传感器可以监测沿FRP筋长度方向的应变分布及混凝土与FRP筋发生滑移的位置.OFBG-FRP筋在混凝土结构中可以作为受力材料和传感器.     

新型加固用智能碳纤维板及感知性能试验

结合碳纤维增强树脂的强度特性与光纤布拉格光栅的传感特性研制开发出具有变形自感知能力的智能碳纤维复合板。在介绍内嵌光纤传感器的碳纤维复合板制作工艺的基础上,利用自制张拉反力架和钢筋混凝土梁进行智能碳纤维板的感知性能试验,获取包括灵敏度、线性度、重复性、迟滞性以及准确度等传感性能指标。研究结果表明:智能碳纤维板具有良好的线性度与重复性,测试精度高,是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程智能材料,既可以方便地作为混凝土结构的加固装配件,又可作为其表面的传感器件,具有良好的工程应用前景。     

智能复合材料中FBG智能夹层的研究

光纤自诊断系统是智能复合材料结构的重要组成部分，但将光纤埋入复合材料中还存在着诸多问题．解决这些问题最有潜力的技术途径是将光纤传感器集成在一起形成一个模块化的便于埋入复合材料中的光纤智能夹层。基于FBG传感器的优点，对FBG智能夹层进行了研究。研究结果表明，智能夹层的埋入对复合材料结构的强度性能影响较小，智能夹层中FBG传感器波长偏移与应变具有良好的线性关系，可以将智能夹层埋入复合材料结构内部，利用FBG传感器网络和先进信息处理技术，建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

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。     

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。     

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。     

光纤光栅和分布式光纤传感器监测系统研究对比分析及在管廊工程中应用建议

本文介绍了当前国内应用最广泛的结构监测系统,对光纤光栅和分布式光纤传感器监测系统研究对比分析,并给出了光纤光栅传感监测系统在管廊工程中应用建议。     

面向机械装备健康监测的振动传感器研究现状

大型机械装备的安全运行关乎国民经济的健康发展,对机械装备进行性能评估和健康监测,保证其安全、高效地运行尤为重要。应力、应变、速度、加速度、位移等振动参量作为评价机械装备运行状态的重要指标,不仅能实时反映装备的运行状态,而且能预测装备的服役寿命。因此,采集必要的结构振动信息成为机械装备健康监测中的重要环节。振动信息的采集主要依赖于多种类型的振动传感器,加速度传感器和应变传感器是机械结构健康监测中普遍使用的振动传感器,其作为诊断机械装备结构损伤的工具,能够精确收集机械装备运行过程中的振动信号。目前,关于振动传感器的研究主要集中在材料的发展、传感器性能的优化以及新技术的引入等方面。无铅陶瓷不仅符合国家的生态需求,还赋予了传感器良好的高温等特性;柔性化压电复合材料的成功研制使传感器实现了轻量化,拓宽了压电传感器的使用范围。传感器性能的优化可以通过传感器电路设计、传感器结构优化等方法来实现。此外,压电晶体的切割方式、寄生电容的存在也分别影响着压电加速度传感器和电容式加速度传感器的灵敏度。印刷技术的发展使得具有柔性基板的应变传感器制作更加方便、快速。光纤光栅应变传感器因其良好的抗电磁干扰、抗腐蚀等优点,在机械结构健康监测中发挥着重要作用。此外,自供电技术、RFID等新技术在振动传感器中的应用,使其实现了无源、低成本的非接触测量。本文综述了机械结构健康监测中常用的加速度传感器和应变传感器的特点及应用,详细分析了压电式加速度传感器和电容式加速度传感器以及电阻式传感器和光纤光栅应变传感器的发展现状,并论述了自供电振动传感器、RFID振动传感器等新型无源传感器的研究进展,探讨了振动传感器的发展趋势及应用前景,可为多种行业的机械装备健康监测提供理论与技术指导。     

面向结构健康监测的压电传感器综述

压电传感器在结构健康监测方面的应用日益广泛。大型工程结构、混凝土结构及微电子构件的损伤监测与智能传感为其提供了广阔的应用平台。压电薄膜与涂层制备工艺不断革新,使压电传感器性能逐步优化,从而开拓了更广阔的应用领域与前景。结合国内外的研究热点和现状,简述了压电传感的动态监测原理,综合概述了外贴式压电传感、埋入式压电传感及表面涂覆式压电传感在结构智能监测中的研究进展,其中针对不同制备工艺,分别阐述了不同表面涂覆式压电传感器的应用研究,归纳并总结了3种传感器的优缺点及表面涂覆式压电传感器的制备工艺,最后展望了未来的应用前景和发展方向。     

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.     

本征自感知混凝土及其智能结构

工程结构会缓慢老化并逐渐劣化,其劣化从材料层面开始,在早期阶段感知材料性能的劣化便可在结构发生重大损坏前进行维护,从而提升其安全性、韧性与寿命.因此,材料性能的自感知对于发展具有数字化特征的智能结构至关重要.混凝土是应用最广泛的工程材料,但其主要作为结构材料使用,并不具有本征自感知性能.复合导电或半导体填料可使混凝土具...     

应力自感知水泥基复合材料及其传感器的研究进展

应力自感知水泥基复合材料是在传统的水泥或砂浆中添加特定导电材料或纳米材料复合而成的具有压阻效应的材料。利用这类材料的电阻率与其自身压应力存在一定对应关系的特性, 可以制成性能独特的应力自感知水泥基复合材料传感器。此类传感器因具有造价低、耐久性好、埋设工艺简单以及与混凝土材料相容性好等特性, 有望成为混凝土结构长期健康监测的新一代传感装置。本文作者从原材料选择、搅拌工艺、电阻测试方法以及传感器测试系统等多方面综合评述了应力自感知水泥基复合材料的研究进展。同时指出, 为促进其在工程中的应用, 对碳纤维水泥石电阻率的离散性、稳定性以及多向约束受力下电阻率的变化曲线等问题都必须进一步深入研究。      

马赫-曾德光纤传感器应变性能实验研究

构建了基于马赫-曾德干涉原理的新型光纤传感器,配合信号采集和数据分析部件组成应变检测系统.在内部粘有光纤传感器的玻璃纤维增强混凝土梁进行弯曲试验时,应用该系统检测了试件的应力应变状态,结果与同步电测数据相符,这说明马赫-曾德光纤传感器性能稳定,测量精度高,在工程结构中的应用前景良好.     

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。     

智能纤维混凝土的力场损伤响应、监测与修复研究进展

近年来,人们对智能响应材料的关注度与日俱增,建筑材料和建筑技术的迅速发展推动着混凝土向智能化方向发展,使损伤响应型混凝土成为智能化材料领域的研究热点.随着混凝土材料发展的高级阶段的到来,力场损伤智能响应型纤维混凝土的结构设计越来越巧妙,研究技术越来越先进,研究方法越来越优化,应用前景也越来越广阔,因此,对智能纤维混凝土力场损伤的响应设计、响应机理及其监测与修复进行研究十分必要.当前混凝土性能参数的监测主要是采用嵌入式传感器和表面安装传感器的方法,这些方法具有灵敏度低、无法实时监测、操作程序复杂、校准耗时、成本高等缺点,且嵌入式传感器会对混凝土产生负面影响.与之相反的是,智能纤维混凝土中的智能组分(纤维)是混凝土本身的组成部分,纤维的加入会提高混凝土的强度,并且智能纤维混凝土具有自感知、自修复能力,能显著提高混凝土的安全性和耐久性.在智能组分的种类方面,近年来主要对碳纤维、光纤维、中空玻璃纤维和各种纳米纤维的智能特性进行了研究;在智能性设计方面,近年来重点开展了力场损伤自感知设计、自修复设计的研究;在智能性监测方面,大量研究揭示了功率损耗、光波量变化、电阻率变化对于智能性的贡献;在智能响应机理研究方面,近年的研究主要阐明了各类智能纤维混凝土在微观和宏观尺度的响应机理.研究表明,力场损伤智能响应纤维混凝土具有很高的响应灵敏度,能够对弱应力等参数及时做出反应,对实现混凝土材料的智能实时无损检测具有重要意义.本文综述了智能纤维混凝土力场损伤的响应、监测与修复的研究进展,总结了纤维混凝土的力场损伤响应设计及修复设计进展,介绍了力场损伤智能响应纤维混凝土的电阻率等电信号、光波量等光信号的监测研究进展,重点阐述了碳纤维、光纤维、玻璃纤维和纳米纤维智能纤维混凝土的力场损伤响应机理研究进展,并对现有力场损伤智能响应纤维混凝土进行了对比分析,指出了目前智能响应纤维混凝土存在的问题并对其发展前景进行了展望,这对未来的智能响应纤维混凝土力场损伤的研究具有指导意义.     

大型结构应变场光纤分布监测系统

研究了一种用于大型工程结构应变、变形状态监测的基于光时域反射技术的分布式光纤应变传感系统。设计了一种新型的光纤微弯传感器结构,用于对沿传感光纤分布各测量点的应变信息进行提取;在此新结构的基础上,了全光纤型应变传感器串行阵列,以对构件应变测量和安全监测为主要目标,建立了起了分布光纤应变实时监测系统,进行了系统实验了得到了良好的结构。