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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

首届地质工程光电传感监测国际专题讨论会(一号通知) 主题:分布式光纤监测技术及相关应用

关于会议光电传感监测技术的研发和应用是当今工程监测界的热点研究领域,其中分布式光纤传感监测技术如BOTDR、BOTDA、FBG、Long-gauge等是近年来一些发达国家竞相研发的尖端监测技术,并已在土木结构的健康监测和诊断方面得到了广泛的应用,而在地质和岩土工程界相关技术的研发和应用还在起步阶段。南京大学光电传感工程监测中心是中国率先从事分布式光纤监测技术BOTDR研发和应用的研究单位,作为这一系列会议的发起和组织者,旨在为从事光电传感监测技术研发和应用的研究人员、工程师和相关产品供应商提供一个技术和信息交流的论坛。…     

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。     

土木与岩土工程监测新技术——BOFDA的性能与特点

在实验的基础上对新型分布式光纤监测技术——布里渊频域分析技术(BOFDA)的感测性能进行了测试与分析,其空间分辨率可达20cm,测试精度可达±2με,测试重复性为±4με;通过与布里渊光时域分析技术(BOTDA)测试性能的比较,对BOFDA的测试性能进行了评价,分析了应变过渡区产生的原因;通过BOFDA等强度梁实验,并与电阻应变片测试结果和理论计算值比较,证明了BOFDA优异的测试性能。最后,对BOFDA在各类工程防灾减灾监测中可能遇到传感光缆的保护及温度补偿问题进行了分析,并提出相应解决方案。     

基于环形光纤光栅应变传感器的管道泄漏监测研究

为了获取一种更为经济有效的管道泄漏监测方法。本文在阐述环形光纤光栅应变传感器健康监测及定位原理基础上,实验模拟管道泄漏,采用环形光纤光栅传感器对相应工况进行实时监测。应用SM-130解调仪,结合Savitzky-Golay法对监测数据进行分析,得出环形光纤光栅传感器不仅能对管道泄漏反应迅速,而且能减少管道起始内压对监测结果的影响。整个实验中环形光纤光栅应变传感器对于管道的泄漏监测表现出灵敏度高、响应时间快、误报率低等特性,且能实时连续监测,是一种良好的泄漏监测方法。     

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。     

基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究

围护体系的加固质量对基坑工程、基坑周边环境和地下管线的变形和稳定性具有重要影响。通过对基坑围护体系和周边环境进行实时、在线监测分析,可掌握基坑变形的发展动态,对基坑失稳破坏进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足基坑工程安全监测和基坑失稳早期预警的要求。本文对布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量原理进行了介绍,设计了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式监测系统,详细阐述了工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。以实际工程为例,对基坑工程分布式变形监测结果进行了分析。监测结果表明,基于BOTDR技术的基坑分布式光纤监测系统能够准确地反映基坑工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于基坑工程稳定性的监测和失稳预报。     

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。     

基于光纤光栅的地基土瞬态应变响应试验研究

为掌握冲击荷载下一定范围内地基土的应变发展、分布和变化规律,采用光纤布拉格光栅(FBG)技术,通过在级配连续的均匀密砂地基中水平埋设三层传感光纤,获得了不同落球高度条件下土体内部应变的动态响应。试验结果表明,各组试验中土体应变经历了幂律增长、线性增长、幂律减小(回弹)和残余应变(稳定)的四个阶段。土体达到峰值应变的时刻存在高度一致性,试验中测得约为100 ms;冲击荷载的影响深度在20 cm左右,为钢球直径的4~5倍。在相同FBG埋深条件下,土体应变随钢球落高增加呈近线性增长;在相同钢球落高条件下,土体应变随FBG埋深增加呈指数减小。研究成果对揭示土体应变发展机理、估算地基土体强度参数和快速测定含水率的进一步探索具有一定的指导意义。     

能源桩-土体接触力学特征试验装置的研发与应用

研发了能源桩-土界面特性测试仪,在测试仪中安装可控温钢筋混凝土模型桩,在桩周围填充各类土体,模拟不同地基中的能源桩。通过对土体施加一定的恒定竖向荷载模拟不同深度的土层。模型桩中安装有换热管,利用低温恒温水浴,通过循环液控制桩体的温度,模拟能源桩吸热、放热过程。利用铂电阻温度传感器测量桩和土体的温度;利用安装在桩体表面上的微型土压力计测量桩-土界面的法向应力;利用FBG准分布式光纤传感技术测量桩体的周向变形。以砂土地基为例,通过冷热循环试验,准确得到了桩温、土温、桩-土界面的法向应力和桩的周向变形,说明EPSICA可以用于揭示桩-土界面的接触力学特征,为能源桩的热、力学行为研究提供了新的手段。     

基于FBG的电缆XLPE绝缘局部放电检测研究

光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, FBG)的波长编码特性适用于电力电缆中间接头局部放电的准分布式检测。但是电缆主绝缘材料交联聚乙烯(XLPE)的弹性模量很低,利用FBG检测其局部放电声信号还存在可行性及灵敏度等问题。以XLPE为研究对象,对比了XLPE中尖刺-气隙放电和油中针-板放电所产生的声信号强度,分析了FBG传感器检测XLPE中尖刺-气隙放电声信号的灵敏度及衰减特性。实验表明:XLPE中尖刺-气隙放电产生的声信号强度远小于油中针-板放电;FBG传感器可测得最小300 pC的放电信号;XLPE中声信号衰减严重,FBG传感器测得的局部放电声信号幅值符合一阶指数衰减规律,衰减系数为0.07 Np/mm。     

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。