光纤bragg光栅建筑物动态监测技术研究学士学位论文.doc

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1、中北大学2013届毕业设计说明书目录1绪论11.1课题研究的背景及意义11.1.1课题研究的背景11.1.2课题研究的意义21.2光纤光栅传感器的发展现状31.2.1国外发展现状31.2.2国内发展现状41.3论文的主要研究内容52光纤Bragg光栅传感特性分析62.1光纤光栅的定义62.2光纤光栅的类型及其特点62.3光纤光栅的基本结构及传感原理分析72.4均匀轴向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析92.5均匀横向应力下的光纤Bragg光栅传感特性分析112.6光纤Bragg光栅温度传感特性分析112.7光纤Bragg光栅应变、温

2、度测量的交叉敏感132.8本章小结133光纤Bragg光栅应变监测系统的设计153.1光纤Bragg光栅应变监测系统示意图153.2非平衡马赫－曾德尔干涉仪163.2.1光纤马赫－曾德尔干涉仪解调的结构163.2.2光纤马赫－曾德尔干涉仪的参数计算163.3光纤Bragg光栅应变监测系统的硬件选择173.3.1系统光源的选择173.3.2光器件的互连173.3.3光电探测器的选择18第II页共Ⅱ页中北大学2013届毕业设计说明书3.3.4压电陶瓷的调制及参数计算183.4反馈放大电路的设计203.4.1反馈放大电路的电路设计203.4.

3、2反馈放大电路的作用203.5信号处理模块的设计213.5.1信号解调的分析与研究213.5.2光纤光栅传感信号的调制研究223.5.3光纤光栅传感信号的解调分析223.6本章小结244系统的硬件仿真与实验254.1光纤Bragg光栅应变特性实验254.2相敏检波参考信号和PZT驱动信号发生器的设计与仿真284.3信号解调模块的设计与仿真304.4A/D转换电路的设计与仿真314.5本章小结325结论与展望335.1结论335.2展望33参考文献35致谢38第II页共Ⅱ页中北大学2013届毕业设计说明书1绪论本章介绍了光纤Bragg光栅

4、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

5、年的监测，另外，他们在主跨1624m的GreatBeltEast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

6、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]。第40页共38页中北

7、大学2013届毕业设计说明书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

8、特征的参数。最能反映结构局部特征，便于结构安全评价与损伤定位的是应变信号，应变是材料与结构的重要物理特性，是重要工程结构健康监测最为重要的参数之一。因此，建筑物检测中对于大型结构应变，进行长期、实时、在线监