基于光纤光栅传导科技的桥梁试桩研究

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1、基于光纤光栅传导科技的桥梁试桩研究-->1绪论1.1研究背景我国最近几十年，大量的桥梁建成并投入运营，由于桥梁工程建设具有建设规模大、环境条件复杂等自身的特点，因此对桥梁工程进行安全、及时、可靠的监测，是桥梁安全使用的重要保证[2]。目前在桥梁监测应用中，大部分的FBG传感技术研究集中在梁结构的应变分布[3-4],对于桥梁试桩的应用目前国内报道较少。而桥梁试桩的荷载试验决定了桥梁桩基础的合理性、安全性和可靠性，所以桥梁试桩在桥梁的建设中占有十分重要的地位[5]。衡量桥梁桩基础安全性与可靠性的重要指标就是桥桩应力应变的变化情况。桥梁桩基础的应力应变检测，为桥梁的长期健康监测提供

2、了重要的科学数据。光纤传感技术正是在这种背景下，自其发明以来就受到了人们的广泛关注，并取得了快速发展。在大型工程安全监测项目中，基于光纤传感技术的光纤传感器已成为首选。长期以来，对桥梁桩基础的安全检测常规检测技术多以电类为主，而用于应力应变变测量的传感元件主要为钢弦计和电阻应变片，钢弦计的灵敏度较好，但由于钢弦丝长期处于张紧状态，蠕变对其影响较大；电阻应变片容易发生零点漂移，使得在长期测试情况下结果失真[6]。由于桥梁恶劣的环境（强磁场、潮湿、具有腐蚀性等），传统电类传感器在这些方面无法满足，而且不能进行实时在线监测和准分布式测量，所以传统的电类检测技术已经不能满足桥梁桩基础

3、的安全健康监测的需要。光纤传感技术正是克服了传统传感器的这些缺陷，通过对一些特定外界场的敏感特性，当外界场发生变化时将信息转换为可探测的光信号，通过探测光信号而解调出外界场的信息，从而成为监测桥梁安全健康的有效方法[7,8]。基于光纤Bragg光栅波长对应变、温度的敏感特性，制成了一种新型的波长调制型的光纤传感器，即光纤光栅传感器。与其他类型传感器相比，它具有成本更低、易制备、易复用且能够实现多参量测量的优点。光纤光栅是一种波长编码传感元件，其波长参量不受光源光强的影响，利用波分复用技术，可作为准分布式传感系统对结构或建筑的温度或应变等实现多点实时监测。这些优点使其在工程结构

4、安全监测方面具有很强的竞争力，并在电力、船舶、桥梁[9-11]、航空航天、堤坝、边坡和隧道等[12-14]工程结构的监测中获得了广泛的研究与应用。1.2光纤光栅技术的发展概况光纤传感技术的发展除了克服传统电类传感器的一些缺陷之外，还由于与其相结合配备的各种无源器件、有源器件的不断研究和完善。所以光纤传感技术目前已经在很多领域应用，其市场分类也不断增多。如图1.1所示，光纤传感器在过去的几年里主要以光学陀螺、光纤光栅、布里渊和拉曼散射为主，并且在各方面的市场投入每年递增。如图1.2可看出，光纤光栅传感器的市场份额在过去几年逐年增长并且在土木工程和石油化工领域的应用占了整个领域的

5、一半[15]。2光纤光栅传感原理与解调技术随着光纤光栅写入技术的成熟与完善，以光纤光栅为核心的传感元件也随之不断发展和完善，并且应用领域越来越广。分析光纤光栅的传感原理及解调技术，对进一步开发新型光纤光栅传感器及工业化应用具有重要意义。2.1光纤光栅传感原理本论文主要研究光纤光栅传感技术在桥梁试桩中的应用，所以主要研究光纤光栅的应变和温度特性，并以单参量传感为例来分析光纤光栅传感结构。如图2.1所示的光纤光栅传感示意图，宽带光源(BBS)发出的光通过耦合器进入光纤光栅传感器，一部分光透射出去，而传感器的Bragg反射波长返回耦合器并由光谱仪(OSA)接收。当外场（应变场、温变

6、场、振动场或加速度场等）作用于传感光栅时，外场参量的任何变化都会使光纤光栅的栅格周期或者有效折射率发生变化，从而使中心波长发生漂移。用光谱仪或光纤光栅解调系统对传感光纤光栅的中心波长进行检测，便可以解调出被测参量的信息。3几种光纤光栅传感器的制备.......................243.1光纤光栅钢筋计的制备.........................243.2光纤光栅温度传感器的制备.....................273.3光纤光栅表面应变传感器的制备.................293.4小结.....................334

7、光纤光栅解调系统软件的直观化设计..................344.1基于InGaAs阵列传感器的光谱解调模块分析.................344.2光纤光栅解调系统软件的直观化设计.............354.3本章小结....................385光纤光栅传感技术在桥梁试桩中的应用.....................395.1钢管桩试桩项目应用........................395.2钻孔灌注桩试桩项目应用..................