光纤bragg光栅建筑物动态监测技术研究—学士学位论文.docVIP

目录 1 绪论 1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.1.1课题研究的背景 1 1.1.2课题研究的意义 2 1.2 光纤光栅传感器的发展现状 3 1.2.1国外发展现状 3 1.2.2国内发展现状 4 1.3 论文的主要研究内容 5 2 光纤Bragg光栅传感特性分析 6 2.1 光纤光栅的定义 6 2.2 光纤光栅的类型及其特点 6 2.3 光纤光栅的基本结构及传感原理分析 7 2.4 均匀轴向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析 9 2.5 均匀横向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析 11 2.6 光纤Bragg光栅温度传感特性分析 11 2.7 光纤Bragg光栅应变、温度测量的交叉敏感 13 2.8 本章小结 13 3 光纤Bragg光栅应变监测系统的设计 15 3.1 光纤Bragg光栅应变监测系统示意图 15 3.2 非平衡马赫－曾德尔干涉仪 16 3.2.1光纤马赫－曾德尔干涉仪解调的结构 16 3.2.2光纤马赫－曾德尔干涉仪的参数计算 16 3.3 光纤Bragg光栅应变监测系统的硬件选择 17 3.3.1 系统光源的选择 17 3.3.2 光器件的互连 17 3.3.3 光电探测器的选择 18 3.3.4 压电陶瓷的调制及参数计算 18 3.4 反馈放大电路的设计 20 3.4.1 反馈放大电路的电路设计 20 3.4.2 反馈放大电路的作用 20 3.5 信号处理模块的设计 21 3.5.1信号解调的分析与研究 21 3.5.2光纤光栅传感信号的调制研究 22 3.5.3光纤光栅传感信号的解调分析 22 3.6 本章小结 24 4 系统的硬件仿真与实验 25 4.1 光纤Bragg光栅应变特性实验 25 4.2 相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器的设计与仿真 28 4.3 信号解调模块的设计与仿真 30 4.4 A/D转换电路的设计与仿真 31 4.5 本章小结 32 5 结论与展望 33 5.1 结论 33 5.2 展望 33 参考文献 35 致谢 38 1 绪论 本章介绍了光纤Bragg光栅在建筑物应变监测技术的背景及意义，综述了相关技术在国内外的发展现状，在此基础上，确定了本论文的工作重点以及具体研究内容。 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题研究的背景 自20世纪50年代以来，建筑物健康监测的重要性就逐步被认识，但受检测、监测手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径建筑物的轻柔化及形式与功能的复杂化，光纤光栅应用于建筑物上的健康监测技术成为国内外学术界、工程界的研究热点[1]。许多国家都在一些已建和在建的建筑物上进行了有益的尝试：丹麦曾对总长1726m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测，另外，他们在主跨1624m的Great Belt East悬索桥上也开始了相关的尝试；泰国与韩国目前已开始在重要建筑物上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备；香港的许多建筑在施工阶段也已开始传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测[2]。光纤光栅监测技术的成功开发与应用将起到确保建筑物安全运营、延长建筑物使用寿命的作用。同时通过早期建筑物应变的监测能大大节约建筑物的维修费用，可以避免最终频繁大修所引起的重大损失[3]。 近年来，国内发生的几起大型的建筑物坍塌或局部损坏事故在很大程度上是由于构建疲劳加之监测养护措施跟不上，从而严重影响构建的承重能力和结构的使用。因此，对建筑物结构健康监测非常必要和迫切。 光纤光栅是一种新型光纤无源器件，它是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，只对特定波长的光具有反射或透射作用，从而使该波长的光在其中的传播行为得以改变和控制。光纤光栅是性能优良的敏感光学元件，其中心波长随温度、应变等外界物理量的改变而改变[4]。自从20世纪80年代末Morey等人首次对光纤Bragg光栅在应变与温度传感领域进行研究以来，世界各地都对其十分关注并展开广泛的研究，使得光纤光栅传感器在许多领域的研究和应用都取得很大的成功[5]。 1.1.2 课题研究的意义 近二十年来，我国经济的快速发展为建筑业的发展带来了契机，大型结构如桥梁、高层建筑、大坝、核电站等工程建设进入了前所未有的高潮时期。建筑结构的多样化和复杂化，带来了建筑结构工程科研、设计、施工、监理和管理水平的全面提升，也带动和促进了相关产业的发展。同时，其安全可靠性己成为当今社会普遍关注的重大问题。因为如果不能及时发现这些重要结构在服役期内的损伤位置及其对整个结构的危害性，其灾难性后果不仅会造成无法估量的经济损失，还会严重危及到人们的生命财产安全。结构监测的前提是从结构中提取能反映结构特征的参数。最能反映结构局部