基于光纤Bragg光栅传感的地铁拱顶沉降监测研究

通过分析双列双边授流情况下杂散电流的分布和杂散电流对金属管道的腐蚀模型,得出杂散电流对金属管道的腐蚀模型。在分析拱顶混凝土开裂过程的基础上,研究了杂散电流对隧道拱顶沉降的影响。为了实现对隧道拱顶沉降的实时监测,提出了一种新的基于光纤光栅传感器的监测方法。采用匹配光栅解调,实现了拱顶沉降的辨识,进而建立了拱顶沉降模型,最后通过仿真检测沉降模型的正确性。     

分布式光纤传感器用于桥梁和路面的健康监测

介绍了两类先进的分布式光纤传感器技术,即光纤光栅(FBG)和布里渊光时域反射计(BOTDR);分别在 T型RC简支梁和连续配筋混凝土路面(CRCP)中布置了FBG和BOTDR分布式光纤传感系统,对简支梁混凝土动、静应变以及路面板中连续钢筋和混凝土应变进行了实时监测。研究结果表明,FBG和 BOTDR在桥梁和路面等一些土木工程结构的健康监测中具有重要的应用前景。     

温度与非轴向力对光纤光栅应变传递影响的分析

由于光纤、保护层和粘贴层以及基体材料的物理力学性能不同,使得光纤光栅传感器的测量应变不等于基体材料的实际应变。本文以埋入式非轴向力作用下的光纤光栅作为研究对象,采用弹性理论分析,利用剪滞法,推导了光纤光栅传感器在非轴向力和温度共同影响下的测量应变与基体结构实际应变之间的应变传递计算公式,并采用有限元方法对其分析,讨论了温度变化对非轴向力作用下的光纤光栅应变传递的影响,为埋入式光纤光栅传感器在非轴向力和温度影响下的应变测量提供理论依据。     

一种光纤光栅倾角传感器的试验研究

设计了一种新型的光纤光栅倾角传感器。本设计将简单可靠的金属悬臂梁结构与高灵敏度的光纤布拉格光栅相结合,考虑了光纤布拉格光栅的温度补偿及灵敏度,从而保证其整体耐久性较好、测量精度较高。将该倾角传感器与光纤光栅解调仪组成监测系统,同时利用无线电容式倾角仪对其灵敏度进行标定,取得了良好的线性数据,证明该倾角传感器性能良好。     

光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布或者准分布式测量、可实现远距离的监测与传输等优点,在土木工程健康监测中得到日益广泛的应用。本文在光纤布拉格光栅(FBG)传感器的传感原理、标定试验研究基础上,讨论了利用FBG传感系统监测钢架结构在冲击荷载作用下的应变和加速度的可行性;同时利用ANSYS有限元分析软件建立了适用于结构分析的有限元模型,对钢架结构进行了详细的仿真分析计算,最后对理论计算结果及实测结果进行了详细的对比分析,所取得的结果比较接近。研究表明,光纤布拉格光栅传感器可以很好的测量钢架结构的动态响应。     

基于分布式应变监测的埋地管道悬空识别方法研究北大核心CSCD

埋地管道在地基缺陷或管道泄漏作用下会产生局部悬空,悬空的发展不仅会威胁管道的安全运行,还会造成地面沉降、塌陷等地质危害。因此,提出一种基于分布式应变监测的埋地管道悬空识别方法。首先布设分布式应变传感器获取管道沿途任意位置纵向应变,然后提取弯曲应变并判断管道悬空状态的出现,再结合管道弯曲应变建立埋地管道有限元模型,最后通过遗传算法对管道有限元模型的土体刚度进行修正,根据修正后的土体刚度变化定量识别管道悬空出现的位置及范围。通过模型试验验证得出识别结果与试验悬空段两侧坡肩位置最大误差不超过0.2 m,反推出的管道应变峰值和挠度与监测结果相差最大分别为84.1με和3.5 mm,其对应的相对误差分别为7.7%和9.2%,试验误差都控制在工程可以接受的范围以内。研究结果表明:本方法可以实时监测管道的工作应力,反推出管道的挠曲变形,准确判断管道悬空的出现,精确识别出管道悬空的范围。本方法对管道运行的结构状态评估和悬空灾害识别都具有非常积极的意义。     

聚乙烯管道变形分布式光纤监测试验研究

聚乙烯材料的管道易于变形,因此对其在安装和运营过程中的变形监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型的分布式光电传感应变监测技术,已被广泛应用于结构物的变形监测中。本文基于该项技术,设计了一套聚乙烯管道变形分布式光纤监测试验方案,对聚乙烯管道纯弯曲变形进行了试验研究,获取了管道表面光纤沿线的应变分布,据此分析了管道的变形方位,并推算出纯弯曲状态下的管道转角,验证了该技术在聚乙烯管道分布式监测中应用的可行性,为地下管道的一站式在线监测提供了一种新的技术方法。     

基于OFDR的不连续管道竖向错开变形定量监测∗

近年来逐步发展起来的分布式光纤传感技术被大量应用于管道变形监测当中,而现有的光纤传感技术无法满足高空间分辨率的要求,采用一种新型的光频域分布式光纤传感技术(OFDR),对不连续管道在加荷条件下的竖向错开变形进行室内模型试验研究,提出了一种定量计算方法,并将计算值与千分表监测的实际值进行对比分析。 室内试验的结果表明,OFDR 能够精确地反映监测部位的应变,揭示不连续管道接缝处的变形规律。通过所提出的算法将应变值转化为竖向错开变形量,并与千分表的监测值进行对比分析。提出的算法能够定量监测不连续管道的竖向变形量,为实际工程提供竖向错开变形的下限值,为实际工程中的管道安全和预警提供依据。     

边坡变形的分布式光纤监测试验研究及实践

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型光电传感仪器,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。该技术采用光纤作为传感和传输介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测等特点。本文总结了近几年来分布式光纤在边坡工程中监测的工程实践和试验研究结果。实践表明,将光纤传感器铺设在加固边坡的锚杆和框架梁中,在加固边坡的同时进行安全监测,可以取得良好的效果;而将光纤直接铺设在边坡浅层土体中进行监测,可以及时对边坡安全提供预警,但往往不利于长期监测。本文还介绍了将光纤传感器布设在用于加固边坡的土工织物中进行安全监测的室内试验研究。实验证明,不同的光纤类型、布设方法、土工织物性能等都会对监测结果产生影响。最后分析了分布式光纤监测在岩土工程监测中的应用前景,以及今后研究的关键技术问题。     

混凝土水化热对钢筋应力影响的FBG监测研究

以江苏省海安船闸项目为工程背景,运用布拉格光纤光栅(FBG)应变感测技术,对船闸闸首底板钢筋结构在施工过程中的应力状态进行了监测;运用布拉格光纤光栅温度感测技术对船闸闸首底板结构的温度变化进行监测,并由此对钢筋应变监测结果进行了温度补偿,分析了闸首底板钢筋应力的变化规律。结果表明:船闸闸首底板钢筋混凝土结构中钢筋应变过程与混凝土水化热温度释放规律正相关,其应力状态主要受混凝土水化热释放引起的温度应力影响,钢筋轴向呈拉应变分布。该研究成果验证了基于FBG光栅传感技术在船闸等大型水工结构施工监测中的可行性,并对光纤传感技术的应用研发和大型船闸水工结构的设计参考及施工工艺的改进具有重要意义。     

基于光纤光栅和小波包分析的结构损伤探测

以光纤光栅为传感元件、小波包分析为信号提取工具,获取了智能材料四边简支板损伤前、后的动态应变信号检测方法,并采用耦合神经网络方法对智能材料四边简支板结构进行了损伤识别分析。结果表明,光纤光栅可非常灵敏地检测出智能材料内部的动态应变信号,小波包信号处理方法可获得大量反映结构损伤特征的有效信号;随着损伤孔径的增大,耦合神经网络损伤识别的精度提高,可得到损伤的位置和大小的信息。研究结果在大型工程结构的健康监测中具有重要的潜在应用价值。     

光纤传感器FBG和BOTDR应用于结构监测的若干比较研究

对建筑结构进行健康监测,可以防止和避免灾害的发生。传感器的选择和使用是进行结构监测时首先要考虑的问题。光纤传感器是一种新型的传感器,因种类不同在性能方面也相差较大。FBG(FiberBraggGating,光纤Bragg光栅)和BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,布里渊光时域反射计)是近些年来发展比较快的光纤传感器,本文介绍了这两种光纤传感器,并着重从两者传感的基本原理、传感系统组成、温度补偿研究和性能优劣等方面进行了详细的比较,得出了各自作为结构监测传感器的优缺点,为今后的监测选用提供了依据,使应用两者时能够做到扬长避短。     

一种准分布式内加热刚玉管FBG渗流速率监测方法

岩土体中的渗流是引发各种地质灾害的重要因素。针对现有渗流监测技术的不足,提出了一种基于光纤布拉格光栅FBG的准分布式内加热刚玉管FBG渗流监测方法;介绍了该方法的原理;发明了一种新型内加热刚玉管渗流传感器;推导出了温度特征值与渗流速率之间的关系,并通过砂性土室内模型试验对此关系进行了率定。试验结果表明:(1)本方法对砂性土中渗流速率进行监测是可行的;(2)利用刚玉管封装的新型传感器具有很好的监测性能;(3)在给定加热功率条件下,一定渗流速率范围内,温度特征值与渗流速率间存在线性关系,渗流速率越大,温度特征值越小;(4)一定加热功率条件下的渗流速率监测存在相应的测试量程,提高给定加热功率可提高监测量程。     

隧道结构健康监测系统与光纤传感技术

隧道安全关系到人类生命安全和社会经济活动,及时掌握隧道结构健康状态是确保隧道安全的重要前提。在详细分析结构健康监测的概念、系统组成和发展现状的基础上,结合隧道结构的具体特点,提出了隧道结构健康监测的定义,构建了一个集监测、诊断和状态评价为一体的隧道结构健康监测系统,重点介绍了光纤结构监测(SO-FO)、布拉格光纤光栅(FBG)和分布式光纤传感器(BOTDR)等3种光纤传感技术的基本原理、功能及其在隧道结构健康监测系统中的作用。有理由相信,以光纤传感技术为代表的新一代工程监测技术将为隧道结构健康监测系统的建立提供厚实的技术基础。     

一种BOTDR光纤温度传感器试验研究

BOTDR适于大尺度分布式健康监测,但对于结构点位的监测效果却不是很理想。本文研发一种基于布里渊光时域散射原理的光纤温度传感器,本传感器由裸光纤封装而成适用于结构点位监测。实验分析了BOTDR各项性能指标相同的条件下封装长度不同时对温度的灵敏度以及可重复性的影响。确定了当BOTDR所设参数一定时光纤温度测量段长度选择。验证了BOTDR温度传感器器检测结构局部点位温度的可行性,实验表明光纤温度传感器线性度和实验的重复性都很好。     

浅埋隧道覆岩变形沉降的分布式光纤监测与分析

针对在浅埋隧道下穿既有设施的施工过程中上覆层变形难以实现分布式监测这一问题,基于脉冲预泵浦光时域分析(PPP-BOTDA)分布式光纤传感技术,以云南某浅埋隧道连续下穿二级公路和钢筋加工车间场地为例,提出分布式光纤的布设方案,对隧道上覆层沉降变形进行监测,分析上覆层的变形特征。结果表明:上覆层中光纤应变的时空演化过程与岩土体物理力学性质、掌子面推进过程、初衬支护作用以及水文地质条件有关;掌子面前方和后方上覆层分别处于拉应力和压应力控制区,掌子面的位置对应着拉—压应变过渡带。同时,将分布式光纤和地表水准仪沉降监测进行比较,两种方法测得沉降结果趋势一致,验证了分布式光纤在隧道施工过程中对上覆岩土体纵向沉降监测的可行性。分布式光纤监测由于能够获取覆岩的整体变形时空演化特征,具有较明显的优势。     

BOTDR光纤温度监测技术在土木工程中的应用研究

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一种新型的分布式光纤传感技术。布里渊光频移量不仅与光纤的应变状态相关,还与光纤的温度存在相应的线性关系,因此BOTDR可以用作分布式的温度监测。本文对基于BOTDR的分布式温度监测技术及其在土木工程中的应用展开了实验研究,研究选用的是美国康宁公司900μm单模紧套光纤,实验标定布里渊光频移量对温度的敏感度为1.43 MHz/℃。通过室内外实验以及在实际隧道工程中的应用,验证了BOTDR的温度测量精度达2℃,因此将该技术应用于分布式温度监测是可行的,长期稳定性良好。     

用于自然灾害现场监测的无线传感网络开发与试验

考虑到救灾机器人在复杂灾害环境中仅凭自身的感知能力会降低任务的执行效率,引入无线传感网络协助执行任务。针对自然灾害现场监测应用,设计了一种低成本、低复杂度、便携式、能快速部署与组网的无线传感网络监测系统。首先描述无线传感器网络总体方案设计,其主要由监测中心、定向路由和若干监测节点组成。然后对监测节点的机械机构设计进行了详细描述,并制作了若干监测节点原型机。基于TCP协议及客户/服务器模型提出了一种请求应答机制,使得监测中心能同时连接并控制若干监测节点,并基于UDP协议实现了监测图像的实时快速传输。使用若干监测节点组建无线传感网络,即能在监测中心实时显示各个节点GPS位置信息及自然灾害区域的监测图像。最后,在国家地震紧急救援训练基地进行了现场实验,实验验证了此无线传感网络监测系统的有效性与可靠性。     

基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析

应变数据的温度补偿一直是光纤应变传感技术(如BOTDR)应用于实际工程的主要障碍,虽然目前有了不少理论方法试图解决这个问题,但实际运用起来却效果不佳。本文通过对云南白泥井3号隧道光纤应变监测项目的实例分析,提出了一种新的BOTDR温度补偿方法。应用该方法对白泥井3号隧道进行的温度场分析表明,隧道内空气温度场的温度变化明显要大于隧道结构温度场,而在总体的温度变化趋势上,它们都同当地的气候条件保持一致。     

基于无线传感器网络的变压器呼吸器在线监测系统

为实现变压器呼吸器状态在线监测,提出了1种基于无线传感器网络的变压器呼吸器实时在线监测系统的设计方法。根据呼吸器的结构特点,采用湿度传感器对呼吸器工作状态在线监测。所设计的系统分为湿度传感终端以及数据处理终端,湿度传感终端负责状态信息的提取,数据处理终端负责逻辑判断以及呼吸器在线工作状态的实时显示及告警。分析了呼吸器内硅胶的状态与其湿度值之间的关系,实现了呼吸器状态的在线监测,同时进行了相关实验,证明了本方案的可行性和有效性。