浅论光纤bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究

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1、四川大学博士学位论文光纤Bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究姓名：孙曼申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：刘浩吾20051030四川大学博士学位论文Y8‘6981光纤Bragg光栅传感技术用于工程结构安全监测的研究岩土工程专业研究生：孙曼指导教师：刘浩吾教授大型结构的安全监测，能够及时了解结构性状，防患未然，获得巨大的社会和经济效益。工程结构安全监测的高新技术中，光纤传感具有独特的优势。其中光纤Bragg光栅传感技术灵敏度高，抗干扰能力强，测量稳定可靠，代表着新一代光传感器的发展方向。本文运用光纤Bragg光栅传感技术的特点和优点，

2、解决高土石坝工程集中渗流监测和组合结构损伤检测两项难题，为发展该两领域内光纤光栅监测技术的传感系统和分析方法提供了理论基础和关键技术。本文主要工作和成果如下：(1)首次提出高土石坝集中渗流大范围、定量化监测的光纤Bragg光栅传感技术的科学理念、理论方法和分析手段。首次采用光纤Bragg光栅传感系统。突破了国内外近年来采用DTS分布式光纤测温的局限，实现了光纤传感的选型优化，成为实现高土石坝心墙集中渗流的定位、定渗流量监测的可行途径和新理念。发展了渗流一温度耦合场的有限元分析方法，完成了高土石坝心墙集中渗流的模拟仿真，获得温度分布与渗流通道几何位置和

3、渗流速度及渗流量的关系，用数值手段论证了这一高端技术的可行性。首次为大范围、定量化监测土石坝心墙随机出现的渗流通道位置和渗流量提供了技术途径。(2)提出了地基集中渗漏的光纤Bragg光栅检测方法，发展了流场一温度耦合场的有限元分析方法，得出地基监测孔内流体、温度多场分布，从而确定地基中集中渗流通道位置和渗流量。据此论证了应用该技术监测地基集中渗流的可行性。四川大学博士学位论文(3)提出了基于光纤Bragg光栅传感的光电多功能测渗系统。并研制出相应的电测子系统和供热子系统。为高土石坝、地基渗漏监测提供了技术手段。鉴于大型工程结构具有使用期限长的特点，其

4、供热子系统采用PTC热敏电阻元件制成，具有恒温、安全、寿命长等特点。其电测子系统采用单线数字化智能集成温度传感器及高档单片机构成．研制了样机，经测试性能优良。该系统作为光纤主系统的参照，提供了必要的冗余度并提高了全系统的可靠性。(4)首次提出钢．砼组合结构界面损伤(滑移、掀起)检测的光纤Bragg光栅传感检测方法，并提出和设计了适于测量组合结构界面滑移和掀起的FBG传感器型式，完成了组合桥面板结构足尺实验的全过程检测。测量出组合结构界面滑移、掀起损伤出现的临界应变值及其发生发展过程，以及混凝土板顶面纵向承载裂缝损伤出现的临界应变值及发生发展过程，揭示

5、出损伤发生的机理。为组合结构界面损伤检测提供了一种可靠、有效的方法(此前无法测量)，同时也为桥面板组合结构的进一步优化提供了可靠的信息依据和科学基础。在组合结构实验中，光纤Bragg光栅传感系统经历从静载到疲劳再到破坏三个加载阶段，而保持全程正常工作，特别是经受了300万次循环疲劳荷载等极限状态的考验，获取了大量的实验数据，揭示了损伤发展规律，为发展组合结构损伤的光纤传感检测技术奠定了科学基础。将光纤检测结果与应变片等常规检测手段获得的数据进行了全过程对比，进一步论证了前者的可靠性。(5)研发了光纤传感系统管理软件，可以实现光纤传感测试数据的存储、调

6、用、打印，数据处理，分时显示、按位置显示、图片显示，裂缝宽度计算、预警等多项功能。为以后实现光纤传感系统检测的全过程自动化和利用Intemet进行数据的网上实时监控和遥测提供了技术手段。综上，本工作将光纤传感的高技术与水电、结构等传统工程领域进行大跨度交叉，起点高，难度较大，研究采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合，计算和试验工作量大。本工作促进了把光纤传感高技术引入工程结构安全监测，。提高其效能和科技含量，有利于其升级换代，具有重要的学术和实际意义。关键词：光纤Bragg光栅，工程结构安全监测，高土石坝集中渗流，多场耦合数值模拟，组合结构，界面损

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