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原文传递基于长周期光纤光栅的桥梁监测应变传感器的研制及应用

论文题名：	基于长周期光纤光栅的桥梁监测应变传感器的研制及应用
关键词：	桥梁监测;应变传感器;长周期光纤光栅;结构设计
摘要：	随着我国科学技术的不断发展，近年来我国桥梁工程的监测技术也得到了较快的发展。光纤传感技术的运用，对于?高桥梁监测的质量有着极大的帮助。但随着桥梁质量工程的要求日益严格，以及桥梁结构和建筑材料的不断优化和升级，对桥梁结构应变监测的灵敏度和准确性也?出了更高的要求。传统的电类监测技术以及现有的光纤传感器因其对微小应变响应的稳定性差、灵敏度不够高、检测精度低等问题，逐渐难以满足桥梁监测工程的需求。而长周期光纤光栅（Long-periodFiberGrating,LPFG）的谐振峰对外界环境的应变、温度和弯曲等变化响应灵敏、分辨率高，且LPFG本身结构稳定，具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、质量轻且无后向反射等优点，因此本文研制了基于LPFG的桥梁监测应变传感器。具体研究内容如下：　　（1）针对初始LPFG结构参数设计的问题，本文从光纤光栅基础理论出发，详细分析了LPFG的耦合模理论。通过LPFG的相位匹配条件，研究并得出了LPFG的温度以及轴向应变传感原理。利用光纤光栅仿真软件Optigrating以及Rsoft对初始LPFG结构进行光谱分析，研究了LPFG的透射谱变化规律。　　（2）本文?出并设计了一种高灵敏度的双侧包层微调制型LPFG（BilateralCladdingMicro-modulatedLPFG,BCM-LPFG）应变传感器。首先设计了一种高精度LPFG研制平台，采用单脉冲分辨率0.25με的恒洋光学GCD-4025M型电动位移台，与光纤夹具、手动位移台共同构成应力载荷施加系统，通过STM32F103C8T6微型控制器、THB6128步进电机和XL4016E1芯片完成了LPFG研制平台控制系统的硬件设计。通过LabVIEW软件G语言的图形化编程，实现了对步进电机控制系统上位机软件模块的开发，将光谱仪的波长和振幅信息转化为数组合并，实现了实时在线监测和数据存储导出功能，为桥梁监测工程?供了一种可视化途径。实验中利用步进电机控制单模光纤的轴向移动，同时利用高频CO2激光器对光纤表面进行高频曝光，并结合机械旋转法研制了新型结构的BCM-LPFG应变传感器，所制备的BCM-LPFG周期数为20，周期为550μm，栅区长度为250μm。　　（3）为了探究BCM-LPFG应变传感器的灵敏度与监测精度，对其进行了应变和温度响应的初始测试，应用所设计的研制平台分别测量了该传感器的应变和温度灵敏度。实验结果表明，BCM-LPFG应变传感器在0~250με范围内，其一谐振峰的灵敏度达到了71pm/με，超出了绝大多数传统LPFG应变传感器灵敏度一个数量级。此外，在传感器结构优化部分，制备了不同结构类型的LPFG并对其光谱以及应变响应进行了测试。其中，单侧包层微调制型LPFG（UnulateralCladdingMicro-modulatedLPFG,UCM-LPFG）应变传感器在0~500με范围内，应变灵敏度达到了66pm/με，与传统光纤光栅应变传感器（灵敏度一般只有2~6pm/με）相比，灵敏度有了成倍的?升，在0~500με应变范围内具有较大的应用前景。　　（4）为了验证BCM-LPFG应变传感器在微小应变阶段的准确性和可靠性，以桥梁工程的简支梁桥为研究对象进行了缩尺试验与有限元模拟。试验中对简支梁桥缩尺试件进行四点弯曲加载，并在梁的两侧受拉区分别布置四个LPFG传感器获得实测拉应变。在试验基础上利用ABAQUES建立有限元分析模型，通过对比试验中实测荷载和跨中位移曲线与模拟曲线来验证模型的有效性，同时读取有限元模型计算完成后对应测点的拉应变值。结果表明：四个测点的误差沿梁高方向的增加而增加，梁底部的测量误差最小仅为1.2%，最高测点的平均误差最大但未超过5%，由此可见，BCM-LPFG应变传感器对于微小应变监测的准确性非常高。另外，通过分析简支梁桥有限元模型的开裂破坏过程，可以发现其失效破坏是始于底部最边缘受拉纤维断裂后产生主裂缝并不断扩展，因此BCM-LPFG能够在桥梁结构产生微小损伤时就较为灵敏地捕捉到拉应变，可为桥梁结构健康检测与运维?供帮助。　　综上所述，本文所研制的BCM-LPFG应变传感器具备稳定性、可视性和准确性等特点，能够精准地对微小应变进行响应，可以长期储存和导出监测数据，实现高分辨率在线监测，为桥梁监测?供了一种高灵敏度的应变传感器解决方案。此外，所研制的传感器因其存在双谐振峰且与应变和温度呈现良好的线性关系，亦可通过数学矩阵法实现应变-温度双参量测量，以此排除温度串扰，帮助工程人员分析桥梁应变产生的问题，为桥梁的安全稳定和后期施工阶段?供良好的技术参考。
作者：	印杰克
专业：	电子与通信工程
导师：	孙俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022