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全尺度光纤布里渊分布型监测技艺及在土木工程之应用
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的
我国是世界经济发展速度最快的发展中国家之一，基础设施的投入占国民经济的很大一部分。随着我国经济建设的迅速发展和国家整体实力的增强，诸如“三峡工程”、“西电东送”、“西气东输”、“南水北调”、“青藏铁路”、“五纵七横”、“7918”国家高速公路网和“二纵二横”国家铁路工程等大型工程建设进入了前所未有的高潮时期。建筑结构的多样性和复杂性，带来了建筑结构工程的科研、设计、施工、监理和管理水平的全面提升及相关产业的发展。2008年推出的经济刺激“4 万亿”大计划还将进一步拓展这种态势，在未来几十年内我国将有一大批大型海洋平台和长距离输油管线、大跨度桥梁和隧道工程、大型核电站和大跨越输电系统、大型水利工程、超高层建筑等超大跨空间结构陆续兴建。大型基础设施耗资巨大，承载着人民生活、社会发展和经济建设的重大任务，它们的使用期都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾变因素的耦合作用，结构不可避免的产生损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害能力下降，其一旦失效，经济损失和社会影响极其惨重。
我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多、发生频次高、影响范围大，据统计，我国 70%以上的人口、80%以上的城市和工程基础设施面临灾害威胁;因为防灾减灾科学技术的相对落后，近十年我国平均每年灾害损失 2000～3000 亿元。仅在 2008 年 1 月，中国南方经历了一场历史罕见的低温雨雪冰冻灾害,持续时间长，影响范围广，危害程度深，造成南方大部分地区电网垮塌，造成 107 人死亡，直接经济损失高达 1516亿元;2008 年我国 5.12 汶川 8 级大地震，直接受灾地区达 10 万平方公里，造成大量建筑结构坍塌，近 8 万人死亡，直接经济损失达到 1 万亿元，一批关系国计民生的重大基础设施如葛洲坝水电站和一些历史悠久的文物古迹等在不同程度上受到损伤。虽然有些结构在灾害发生前出现了损伤，如开裂、老化等症状，但是缺乏有效预警和减灾措施，无法避免灾损的发生，不能把损失降低到最低限度。为了迎接这一挑战，2007 年 4 月，国家自然科学基金委正式批准重大研究计划“重大工程的动力灾变”(专家组组长：欧进萍院士，资助经费 1.5亿元)。“动力作用下重大工程的损伤破坏演化过程，揭示重大工程的损伤机理和破坏机制”为其核心研究课题之一。重大工程损伤破坏演化规律的核心问题为“损伤识别与定位”，而由于重大工程极端的单体个性和损伤的隐蔽性和随机性，仅仅依靠动力识别不能从根本上解决这一关键科学问题。因此，发展集成化的高性能测试技术以及专门针对某类损伤演化特性的长期监测技术，对于重大工程损伤机理和破坏机制重大课题具有重要的技术支撑作用，具有重要的意义。
传统的电学量局部测试传感器如电阻应变片、钢弦计等，虽然在大型工程结构的施工质量控制和竣工验收中得到了广泛应用，但是由于其耐久性和稳定性不能满足长期结构健康监测的需要。20 世纪末传感领域最重要发明之一的光纤传感器，尤其是布拉格光纤光栅(Bragg Fiber Grating，FBG)，以其小尺寸、高耐久、准分布式以及绝对测量等优异特性，已被长期结构健康监测作为局部监测的首选敏感元件，在世界范围内广泛应用于重大工程的结构健康监测中，有取代部分传统电学量传感器的趋势，拉动了相关产业的发展。然而重大工程结构具有体积大、覆盖面广、监测部位隐蔽等特点。传统的点式或准分布式监测手段存在布线困难、漏检、成本高、系统不稳定等问题。分布式光纤传感技术，尤其是布里渊分布式光纤传感监测技术的出现与发展为解决这一难题带来了希望。分布式光纤传感技术除具有普通光纤传感的优点外，具有传感探头成本低、测量场为时间和空间上的分布信息等突出优点，可以方便地对大型结构进行大规模全分布式的应变、温度监测，已在航空航天、土木工程、复合材料等领域得到大量的研究和初步应用，成为目前的热点研究技术。但目前分布式光纤传感技术在工程应用中存在系统空间分辨率、测试精度和采样频率较低等特点和缺乏适合工程应用粗放性施工和恶劣服役环境的高耐久性、高抗拉强度的传感探头。
传感器的布设方式强烈依赖于监测对象的结构特征，如山体滑坡、地基沉降、石油管道、高速公路等对象的布设工艺几乎完全不同。目前光纤传感器大多数采用胶粘贴的布设工艺，受到胶老化、蠕变的影响，其耐久性也比较差，因此布里渊光纤传感器的高耐久性封装和布设工艺是制约其推广应用的重要因素。如何有效充分发挥光纤光栅局部高精度和布里渊分布式监测的优点，形成一种兼顾全尺度的较高精度测试和局部高精度、高稳定性测试的共线技术，通过局部高精度光纤光栅传感器就可以对结构易损位置进行高精度的定位和定量分析以及对某些实时性强的位置进行高频数据采集，通过 BOTDA/R 系统就可以实现结构全分布是应变/温度监测，避免漏检、达到结构损伤全面定位和较低精度的定量分析，为大跨度、长距离的重大工程结构提供一种方便、可靠、低成本的监测手段，意义重大。因此针对重大工程结构具有体积大、范围广、使用期限长等特点，且其服役环境恶劣，损伤具有隐秘性高、随机性强等特性，发挥和有效融合局部高精度光纤光栅和分布式光纤传感技术两者优点构建一种兼顾全尺度的较高精度测试和局部高精度、高稳定性测试的共线系统，研制开发适合工程应用高精度、高耐久性的分布式光纤传感器对结构健康监测和分布式光纤传感技术的推动显得十分迫切。
第 2 章 光纤布里渊传感特性
2.1 引言
光纤布里渊传感技术因其具有传统点式传感系统无法比拟的优点在传感领域得到重视和肯定，并逐步成为重大工程结构健康监测技术的研究热点。然而，由于对布里渊光纤传感特性缺乏完整而清晰的认识，如长期监测的传感系统没有考虑温度补偿等问题以及布里渊分布式监测系统成本太高，导致一些工程研究人员对其应用前景缺乏信心，持怀疑态度。本章将对布里渊散射基本原理和分布式光纤传感基本感知特性，如应变和温度感知特性以及光纤布里渊频移对应变和温度交叉耦合性的问题进行系统推证，通过应变和温度标定试验对其传感特性进行研究，研究其应变感知的温度补偿技术，并通过试验验证了绝对温度补偿技术的有效性。
2.2 布里渊散射基本理论
1914-1922 年，Brillouin 对具有声波密度起伏的光散射进行了计算，从理论上预言了布里渊效应。1930 年，E.Cross 在液体中首先观察了这种现象。布里渊散射过程可经典地描述为泵浦波、斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用，泵浦波通过电致伸缩效应产生声波，引起介质折射率的周期性调制，同时由于多普勒效应，散射光产生了频率下移，入射光与散射光频率差即为布里渊频移，简单的来说：元激发中的玻色(声子或磁振子)引起的非弹性光散射就是布里渊散射。布里渊散射包括自发布里渊散射和受激布里渊散射。下面综合借鉴余丽苹、刘迪、M. D.DeMerchant 等人的研究成果，详细论述布里渊散射的基本理论。
第3章 系列传感光纤的基本力学......................... 41-52
3.1 引言 ........................41
3.2 封装/涂覆光纤样本选择........................ 41-43
3.3 封装传感光纤的力学........................43-51
3.4 本章小结........................ 51-52
第4章 全尺度分布式与局部高精度共线........................ 52-100
4.1 引言 ........................52
4.2 BOTDA/R-FBG共线智能传感网络系统........................ 52-54
4.3 光纤光栅和布里渊测量信号的相互影响 ........................54-63
4.4 小波滤噪在布里渊传感技术中的应用 ........................63-82
4.4.1 小波分析及滤噪原理........................ 64-68
4.4.2 小波滤噪在布里渊信号中的应用........................ 68-82
4.6 长周期光纤光栅腐蚀监测试验........................ 88-97
4.7 本章小结........................ 97-100
第5章 全尺度自监测光纤智能结构部品........................ 100-124
5.1 引言 ........................100
5.2 FRP-OF/FBG全尺度自监测智能筋 ........................100-101
5.3 FRP-OF/FBG筋界面电镜扫描 ........................101-102
5.4 系列BOTDA/R-FRP-OF传感探头的研制........................ 102-105
5.5 光纤布里渊智能钢绞线........................ 105-115
5.6 光纤布里渊智能钢拉索........................ 115-122
5.7 本章小结........................ 122-124
结论
本文针对重大土木工程结构健康监测对高性能全尺度测试手段的客观需求，围绕光纤布里渊的感知特性及其温度补偿方法、高性能封装光纤探头、融合全尺度光纤布里渊和局部高精度光纤光栅的共线传感网络、基于光纤与 FRP复合的全分布式智能结构部品以及基于全尺度分布式监测手段的结构损伤探测等问题展开了较系统研究。主要工作和成果如下：
1)分析了光纤布里渊温度和应变传感的耦合效应，提出了布里渊应变感知的绝对温度补偿方法。结果表明：普通通信光纤具有良好的布里渊应变和温度感知特性，其应变感知的绝对温度补偿方法效果良好，补偿后的应变绝对误差在(-23με，+23με)，误差分布曲线为高斯分布型。
2)归纳和总结了目前可能用于布里渊传感的系列封装传感光纤的剪切力学性能、轴向拉伸极限应变、环境适应性及其相应的感知特性。结果表明：各种光纤的布里渊应变灵敏度系数基本一致，均为 0.05MHz/με左右;Polymide涂覆光纤和碳光纤的力学性能、耐高温和腐蚀能力优于普通康宁光纤;FRP 封装光纤的抗剪和抗拉能力最强，且具有良好的耐腐蚀、抗疲劳等特性。
3)提出融合全尺度光纤布里渊测试技术和局部高精度光纤布拉格光栅传感技术的共线集成传感网络系统，分析了光纤光栅对光纤布里渊传感信号的影响;为了提高光纤布里渊测试结果的精度，发展了实测布里渊信号二次信号处理的小波分析和洛伦兹数据拟合方法。结果表明，光纤布里渊和光纤光栅可以方便共线复合，而光纤布里渊信号对光纤光栅没有影响。但是，当光栅中心波长接近布里渊泵浦光工作波长时，其对布里渊测试信号影响很大。
4)研究了布里渊信号噪声处理的小波和增益谱曲线局部洛伦兹单峰拟合方法。结果表明：基于 dbN 和 SymN 小波可以有效滤掉实测布里渊信号中的噪声，误差在 6%以内;光纤光栅位置处的布里渊增益谱曲线经局部洛伦兹单峰拟合得到的温度值和由 BOTDA 测试仪表直接测量的温度，最大相对误差分别为 2.6%和 7.5%。
5)探讨了光纤布里渊与长周期光栅复合，开发分布式腐蚀传感器的可行性。结果表明：光纤布里渊与长周期光栅可以共线复合，但是损耗较大;谐振波长对 NaCl 和 CaCl2溶液浓度的变化十分敏感，具有良好的谐振波长/浓度测试线性度，基于环氧铁砂封装的长周期光栅是一种可能的腐蚀监测传感器。
参考文献
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