土木工程检测新技术

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1、土木工程研究方法论论文土木工程监测新技术【摘要】土木工程监测是土木工程结构研究、设计、施工，以及工程安全鉴定、评估中的重要环节。随着土木、材料、测量、计算机网络等技术的发展，传统监测方法的局限性变得日益明显，难以满足土木工程技术进一步发展的需要。在计算机网络技术和新型材料科学的发展的促进下，由此产生了一些新的结构健康监测技术。文章主要介绍了几项当前被广泛研究和关注的新技术，包括光纤光缆传感器技术及压电抗阻法技术。【关键词】结构健康监测新技术；新型材料；光纤光栅传感器；压电阻抗法0.引言结构的健康监测(Stru

2、cturalHealthMonitoring,简称SHM)指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的。结构健康监测的过程为:通过一系列传感器得到系统定时取样的动力和静力响应测量值,从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子,并对这些特征因子进行统计分析,从而获得结构当前的健康状况。任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护等因素的影响而失效，有效的土木工程结构健康监测系统能够实时地诊断出缺陷（裂纹，锈蚀等）的位置和程度，使结构能得到及时的修复

3、和加固，以确保结构的可靠性。建国60年来，我国结构检测技术经历了从无到有、从单项到全面、从局部到整体的发展过程，检测的技术手段也日益发展，种类繁多，很多的结构损伤检测方法已经成功应用到各种土木工程结构或它们的构件中。如经典的静态应变（或位移）测试和振动识别方法，非破坏性检测方法：声发射技术、声/超声法、阻抗法、红外热像法、脉冲雷达法和X射线等。传统的结构试验和检测方法基本满足了结构工程科研和生产应用的需求，但多数方法都是定性的，难以进行实时的健康状态监测。随着科学技术的进一步发展，特别是计算机网络技术和新型材

4、料科学的发展，必然会对结构工程提出了精确化、智能化、网络化等要求，此时传统的检测方法已经无法满足土木工程技术发展的要求，由此产生了一些新的检测技术-8-土木工程研究方法论论文。智能材料（如光纤、压电材料、磁致伸缩材料和水泥基智能复合材料等）为土木工程结构长期的和实时的健康检测提供了新的方法。1．光纤光栅传感器技术1.1光纤光栅传感器的结构及工作原理光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率,产生小的周期性调制而形成的,其折射率变化通常在10-5～10-3之间,通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯,在纤芯内产

5、生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤芯中的折射率调制周期Λ由下式给出:Λ=λuv/2sin(θ/2),式中λuv是紫外光源波长,θ是2相干光束之间的夹角。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用光纤材料的光敏性,通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅,当光源发出

6、的连续宽带光通过传输光纤射入时,在光栅处有选择地反射回一个窄带光,其余宽带光继续透射过去,在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处反射。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变等物理量发生变化时,光栅周期或纤芯折射率随之发生变化,使反射光波长发生变化,通过测量变化前后反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况。1.2光纤光栅传感器的应用特点光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器,对大多数物理量直接感应,可同时感应温度和应变,还可以进行多个物理量的同时测量,其应用领域非常广泛。同时FBG传感器阵列可以实现分布式的传

7、感网络,对物体进行多点测量,提取相关的信号,进行状态分析,达到示警以及故障诊断的目的。其主要技术应用优势包括:(1)可靠性好、测量精度高,单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量,其测量点多,测量范围大;(2)抗电磁干扰能力强;-8-土木工程研究方法论论文(3)光纤光栅是无源传感器,不受电磁场的影响,也不发热,特别适于电磁场强烈的环境;(4)光纤光栅的材料是非金属材料，耐腐蚀能力强;(5)光纤光栅传感器调制的是波长信号，不存在多值函数问题,与光源、传输和连接件的损耗等强度信息没有关系,因而

8、对环境干扰不敏感;（6）光纤光栅可以单端输入和单端检测,减少了埋入光纤与探测元件的数量,特别适于物理量(如应变和温度场等)的测量。尽管光纤光栅传感器具有上述许多优点,但是在实际应用中还是存在一些问题。目前,限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调即光纤光栅传感器分析仪,正在研究的解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高,如果用于多点监测的分布式传感器网络系统中成本将更高。