全尺度光纖布里淵分布型監(jiān)測技藝及在土木工程之應用

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　　第 1 章緒論

全尺度光纖布里淵分布型監(jiān)測技藝及在土木工程之應用

　　1.1 課題背景及研究的目的

　　我國是世界經濟發(fā)展速度最快的發(fā)展中國家之一，基礎設施的投入占國民經濟的很大一部分。隨著我國經濟建設的迅速發(fā)展和國家整體實力的增強，諸如“三峽工程”、“西電東送”、“西氣東輸”、“南水北調”、“青藏鐵路”、“五縱七橫”、“7918”國家高速公路網和“二縱二橫”國家鐵路工程等大型工程建設進入了前所未有的高潮時期。建筑結構的多樣性和復雜性，帶來了建筑結構工程的科研、設計、施工、監(jiān)理和管理水平的全面提升及相關產業(yè)的發(fā)展。2008年推出的經濟刺激“4 萬億”大計劃還將進一步拓展這種態(tài)勢，在未來幾十年內我國將有一大批大型海洋平臺和長距離輸油管線、大跨度橋梁和隧道工程、大型核電站和大跨越輸電系統(tǒng)、大型水利工程、超高層建筑等超大跨空間結構陸續(xù)興建。大型基礎設施耗資巨大，承載著人民生活、社會發(fā)展和經濟建設的重大任務，它們的使用期都長達幾十年，甚至上百年。在其服役過程中，由于環(huán)境荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等災變因素的耦合作用，結構不可避免的產生損傷累積和抗力衰減，從而抵抗自然災害能力下降，其一旦失效，經濟損失和社會影響極其慘重。

　　我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，災害種類多、發(fā)生頻次高、影響范圍大，據(jù)統(tǒng)計，我國 70%以上的人口、80%以上的城市和工程基礎設施面臨災害威脅;因為防災減災科學技術的相對落后，近十年我國平均每年災害損失 2000～3000 億元。僅在 2008 年 1 月，中國南方經歷了一場歷史罕見的低溫雨雪冰凍災害,持續(xù)時間長，影響范圍廣，危害程度深，造成南方大部分地區(qū)電網垮塌，造成 107 人死亡，直接經濟損失高達 1516億元;2008 年我國 5.12 汶川 8 級大地震，直接受災地區(qū)達 10 萬平方公里，造成大量建筑結構坍塌，近 8 萬人死亡，直接經濟損失達到 1 萬億元，一批關系國計民生的重大基礎設施如葛洲壩水電站和一些歷史悠久的文物古跡等在不同程度上受到損傷。雖然有些結構在災害發(fā)生前出現(xiàn)了損傷，如開裂、老化等癥狀，但是缺乏有效預警和減災措施，無法避免災損的發(fā)生，不能把損失降低到最低限度。為了迎接這一挑戰(zhàn)，2007 年 4 月，國家自然科學基金委正式批準重大研究計劃“重大工程的動力災變”(專家組組長：歐進萍院士，資助經費 1.5億元)。“動力作用下重大工程的損傷破壞演化過程，揭示重大工程的損傷機理和破壞機制”為其核心研究課題之一。重大工程損傷破壞演化規(guī)律的核心問題為“損傷識別與定位”，而由于重大工程極端的單體個性和損傷的隱蔽性和隨機性，僅僅依靠動力識別不能從根本上解決這一關鍵科學問題。因此，發(fā)展集成化的高性能測試技術以及專門針對某類損傷演化特性的長期監(jiān)測技術，對于重大工程損傷機理和破壞機制重大課題具有重要的技術支撐作用，具有重要的意義。

　　傳統(tǒng)的電學量局部測試傳感器如電阻應變片、鋼弦計等，雖然在大型工程結構的施工質量控制和竣工驗收中得到了廣泛應用，但是由于其耐久性和穩(wěn)定性不能滿足長期結構健康監(jiān)測的需要。20 世紀末傳感領域最重要發(fā)明之一的光纖傳感器，尤其是布拉格光纖光柵(Bragg Fiber Grating，F(xiàn)BG)，以其小尺寸、高耐久、準分布式以及絕對測量等優(yōu)異特性，已被長期結構健康監(jiān)測作為局部監(jiān)測的首選敏感元件，在世界范圍內廣泛應用于重大工程的結構健康監(jiān)測中，有取代部分傳統(tǒng)電學量傳感器的趨勢，拉動了相關產業(yè)的發(fā)展。然而重大工程結構具有體積大、覆蓋面廣、監(jiān)測部位隱蔽等特點。傳統(tǒng)的點式或準分布式監(jiān)測手段存在布線困難、漏檢、成本高、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。分布式光纖傳感技術，尤其是布里淵分布式光纖傳感監(jiān)測技術的出現(xiàn)與發(fā)展為解決這一難題帶來了希望。分布式光纖傳感技術除具有普通光纖傳感的優(yōu)點外，具有傳感探頭成本低、測量場為時間和空間上的分布信息等突出優(yōu)點，可以方便地對大型結構進行大規(guī)模全分布式的應變、溫度監(jiān)測，已在航空航天、土木工程、復合材料等領域得到大量的研究和初步應用，成為目前的熱點研究技術。但目前分布式光纖傳感技術在工程應用中存在系統(tǒng)空間分辨率、測試精度和采樣頻率較低等特點和缺乏適合工程應用粗放性施工和惡劣服役環(huán)境的高耐久性、高抗拉強度的傳感探頭。

　　傳感器的布設方式強烈依賴于監(jiān)測對象的結構特征，如山體滑坡、地基沉降、石油管道、高速公路等對象的布設工藝幾乎完全不同。目前光纖傳感器大多數(shù)采用膠粘貼的布設工藝，受到膠老化、蠕變的影響，其耐久性也比較差，因此布里淵光纖傳感器的高耐久性封裝和布設工藝是制約其推廣應用的重要因素。如何有效充分發(fā)揮光纖光柵局部高精度和布里淵分布式監(jiān)測的優(yōu)點，形成一種兼顧全尺度的較高精度測試和局部高精度、高穩(wěn)定性測試的共線技術，通過局部高精度光纖光柵傳感器就可以對結構易損位置進行高精度的定位和定量分析以及對某些實時性強的位置進行高頻數(shù)據(jù)采集，通過 BOTDA/R 系統(tǒng)就可以實現(xiàn)結構全分布是應變/溫度監(jiān)測，避免漏檢、達到結構損傷全面定位和較低精度的定量分析，為大跨度、長距離的重大工程結構提供一種方便、可靠、低成本的監(jiān)測手段，意義重大。因此針對重大工程結構具有體積大、范圍廣、使用期限長等特點，且其服役環(huán)境惡劣，損傷具有隱秘性高、隨機性強等特性，發(fā)揮和有效融合局部高精度光纖光柵和分布式光纖傳感技術兩者優(yōu)點構建一種兼顧全尺度的較高精度測試和局部高精度、高穩(wěn)定性測試的共線系統(tǒng)，研制開發(fā)適合工程應用高精度、高耐久性的分布式光纖傳感器對結構健康監(jiān)測和分布式光纖傳感技術的推動顯得十分迫切。

　　第 2 章光纖布里淵傳感特性

　　2.1 引言

　　光纖布里淵傳感技術因其具有傳統(tǒng)點式傳感系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點在傳感領域得到重視和肯定，并逐步成為重大工程結構健康監(jiān)測技術的研究熱點。然而，由于對布里淵光纖傳感特性缺乏完整而清晰的認識，如長期監(jiān)測的傳感系統(tǒng)沒有考慮溫度補償?shù)葐栴}以及布里淵分布式監(jiān)測系統(tǒng)成本太高，導致一些工程研究人員對其應用前景缺乏信心，持懷疑態(tài)度。本章將對布里淵散射基本原理和分布式光纖傳感基本感知特性，如應變和溫度感知特性以及光纖布里淵頻移對應變和溫度交叉耦合性的問題進行系統(tǒng)推證，通過應變和溫度標定試驗對其傳感特性進行研究，研究其應變感知的溫度補償技術，并通過試驗驗證了絕對溫度補償技術的有效性。

　　2.2 布里淵散射基本理論

　　1914-1922 年，Brillouin 對具有聲波密度起伏的光散射進行了計算，從理論上預言了布里淵效應。1930 年，E.Cross 在液體中首先觀察了這種現(xiàn)象。布里淵散射過程可經典地描述為泵浦波、斯托克斯波通過聲波進行的非線性相互作用，泵浦波通過電致伸縮效應產生聲波，引起介質折射率的周期性調制，同時由于多普勒效應，散射光產生了頻率下移，入射光與散射光頻率差即為布里淵頻移，簡單的來說：元激發(fā)中的玻色(聲子或磁振子)引起的非彈性光散射就是布里淵散射。布里淵散射包括自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射。下面綜合借鑒余麗蘋、劉迪、M. D.DeMerchant 等人的研究成果，詳細論述布里淵散射的基本理論。

　　第3章系列傳感光纖的基本力學......................... 41-52

　　3.1 引言 ........................41

　　3.2 封裝/涂覆光纖樣本選擇........................ 41-43

　　3.3 封裝傳感光纖的力學........................43-51

　　3.4 本章小結........................ 51-52

　　第4章全尺度分布式與局部高精度共線........................ 52-100

　　4.1 引言 ........................52

　　4.2 BOTDA/R-FBG共線智能傳感網絡系統(tǒng)........................ 52-54

　　4.3 光纖光柵和布里淵測量信號的相互影響 ........................54-63

　　4.4 小波濾噪在布里淵傳感技術中的應用 ........................63-82

　　4.4.1 小波分析及濾噪原理........................ 64-68

　　4.4.2 小波濾噪在布里淵信號中的應用........................ 68-82

　　4.6 長周期光纖光柵腐蝕監(jiān)測試驗........................ 88-97

　　4.7 本章小結........................ 97-100

　　第5章全尺度自監(jiān)測光纖智能結構部品........................ 100-124

　　5.1 引言 ........................100

　　5.2 FRP-OF/FBG全尺度自監(jiān)測智能筋 ........................100-101

　　5.3 FRP-OF/FBG筋界面電鏡掃描 ........................101-102

　　5.4 系列BOTDA/R-FRP-OF傳感探頭的研制........................ 102-105

　　5.5 光纖布里淵智能鋼絞線........................ 105-115

　　5.6 光纖布里淵智能鋼拉索........................ 115-122

　　5.7 本章小結........................ 122-124

　　結論

　　本文針對重大土木工程結構健康監(jiān)測對高性能全尺度測試手段的客觀需求，圍繞光纖布里淵的感知特性及其溫度補償方法、高性能封裝光纖探頭、融合全尺度光纖布里淵和局部高精度光纖光柵的共線傳感網絡、基于光纖與 FRP復合的全分布式智能結構部品以及基于全尺度分布式監(jiān)測手段的結構損傷探測等問題展開了較系統(tǒng)研究。主要工作和成果如下：

　　1)分析了光纖布里淵溫度和應變傳感的耦合效應，提出了布里淵應變感知的絕對溫度補償方法。結果表明：普通通信光纖具有良好的布里淵應變和溫度感知特性，其應變感知的絕對溫度補償方法效果良好，補償后的應變絕對誤差在(-23με，+23με)，誤差分布曲線為高斯分布型。

　　2)歸納和總結了目前可能用于布里淵傳感的系列封裝傳感光纖的剪切力學性能、軸向拉伸極限應變、環(huán)境適應性及其相應的感知特性。結果表明：各種光纖的布里淵應變靈敏度系數(shù)基本一致，均為 0.05MHz/με左右;Polymide涂覆光纖和碳光纖的力學性能、耐高溫和腐蝕能力優(yōu)于普通康寧光纖;FRP 封裝光纖的抗剪和抗拉能力最強，且具有良好的耐腐蝕、抗疲勞等特性。

　　3)提出融合全尺度光纖布里淵測試技術和局部高精度光纖布拉格光柵傳感技術的共線集成傳感網絡系統(tǒng)，分析了光纖光柵對光纖布里淵傳感信號的影響;為了提高光纖布里淵測試結果的精度，發(fā)展了實測布里淵信號二次信號處理的小波分析和洛倫茲數(shù)據(jù)擬合方法。結果表明，光纖布里淵和光纖光柵可以方便共線復合，而光纖布里淵信號對光纖光柵沒有影響。但是，當光柵中心波長接近布里淵泵浦光工作波長時，其對布里淵測試信號影響很大。

　　4)研究了布里淵信號噪聲處理的小波和增益譜曲線局部洛倫茲單峰擬合方法。結果表明：基于 dbN 和 SymN 小波可以有效濾掉實測布里淵信號中的噪聲，誤差在 6%以內;光纖光柵位置處的布里淵增益譜曲線經局部洛倫茲單峰擬合得到的溫度值和由 BOTDA 測試儀表直接測量的溫度，最大相對誤差分別為 2.6%和 7.5%。

　　5)探討了光纖布里淵與長周期光柵復合，開發(fā)分布式腐蝕傳感器的可行性。結果表明：光纖布里淵與長周期光柵可以共線復合，但是損耗較大;諧振波長對 NaCl 和 CaCl2溶液濃度的變化十分敏感，具有良好的諧振波長/濃度測試線性度，基于環(huán)氧鐵砂封裝的長周期光柵是一種可能的腐蝕監(jiān)測傳感器。

　　參考文獻

　　1 歐進萍. 重大工程結構的累積損傷與安全度評定. 走向 21 世紀的中國力學——中國科協(xié)第 9 次“青年科學家論壇”報告文集. 北京: 清華大學出版社,1996: 179~189

　　2 張啟偉. 橋梁結構模型修正與損傷識別. 同濟大學博士論文. 1999:9~15

　　3 周智. 土木工程結構光纖光柵智能傳感元件及其監(jiān)測系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學博士論文. 2003：8~20

　　4 歐進萍, 肖儀清, 黃虎杰等. 海洋平臺結構實時安全監(jiān)測系統(tǒng). 海洋工程,2001，19(2):1~6

　　5 歐進萍, 周智等. 黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能監(jiān)測技術. 土木工程學報, 2004, 37(1):45~49

　　6 周智, 歐進萍. 光纖光柵傳感器及其在大型結構工程健康監(jiān)測領域的應用.首屆“光纖傳感器發(fā)展與國際論壇”論文集,中國平湖. 2005, 3~25

　　7 周智 , 田石柱 , 歐進萍 . 光纖傳感器在土木工程中的應用 . 建筑結構 .2002,32(5):65~68

　　8 陶寶祺. 智能材料結構. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1997:124~181

　　9 黃尚廉 . 智能結構-工程學科萌生的一場革命 . 壓電與聲光 . 1993,15(1):13~15

　　10 趙延超, 黃尚廉, 陳偉民. 機敏土建結構中光纖傳感技術的研究綜述.重慶大學學報, 1997,20(5): 104~109

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