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第一章 绪论1

1.1 引言1

1.2 光纤健康监测研究和应用现状1

1.3 光纤健康监测系统构成3

1.4 光纤传感器3

1.5 光纤光栅传感器5

1.6 研究方向9

参考文献10

第二章 光纤光栅基本原理12

2.1 引言12

2.2 光纤光栅的光敏性及光学特性13

2.2.1 光纤光栅的光敏性13

2.2.2 光纤光栅的光学特性14

2.3 光纤光栅基本理论16

2.3.1 光纤基本结构与传输原理16

2.3.2 光纤光栅传感基本原理16

2.3.3 光纤光栅模式理论19

2.3.4 光纤光栅的光谱特性分析20

2.3.5 光纤光栅的种类23

2.4 光纤光栅传感器阵列的指标27

2.5 光纤光栅解调技术31

2.5.1 边缘滤波器法32

2.5.2 可调谐滤波器法35

2.5.3 干涉法38

参考文献39

第三章 光纤光栅写入方法41

3.1 光纤材料的紫外增敏技术41

3.2 内部写入法制作光纤光栅42

3.3 干涉法制作光纤光栅43

3.3.1 分振幅干涉法43

3.3.2 分波前干涉法45

3.4 点光源写入法46

3.5 相位掩膜法47

3.5.1 写入光斜入射48

3.5.2 写入光正入射49

3.5.3 利用相位掩膜板法制作光纤光栅50

3.5.4 改变相位模版的周期51

3.6 光纤光栅制作中旁瓣的抑制53

3.7 光纤光栅的写入光源55

参考文献57

第四章 光纤光栅传感器59

4.1 引言59

4.2 光纤光栅应变传感器60

4.2.1 基片式封装61

4.2.2 嵌入式封装63

4.2.3 金属管式封装66

4.2.4 夹持式封装光纤光栅应变传感器69

4.2.5 光纤光栅金属化封装73

4.3 光纤光栅温度传感器76

4.3.1 基片式光纤光栅温度传感器77

4.3.2 聚合物封装光纤光栅温度传感器78

4.3.3 金属管式光纤光栅温度传感器78

4.4 光纤光栅位移传感器81

4.4.1 拉杆式位移传感器81

4.4.2 微位移传感器83

4.5 光纤光栅压力传感器83

4.5.1 边压力传感器83

4.5.2 基于弹簧管悬臂梁的光纤光栅压力传感的研究84

4.5.3 基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器86

4.5.4 高压力传感器87

4.6 光纤光栅剪力传感器88

4.6.1 理论分析89

4.6.2 实验分析92

4.7 光纤光栅加速度传感器92

4.7.1 早期的光纤光栅加速度传感器92

4.7.2 基于悬臂梁的光纤光栅加速度传感器93

4.7.3 L形悬臂梁加速度传感器95

4.7.4 光纤光栅的三维加速度传感器的研究97

4.8 光纤光栅倾斜传感器100

4.9 光纤光栅流量传感器102

4.9.1 光纤光栅涡街流量计103

4.9.2 光纤光栅互相关流量传感器105

4.10 光纤光栅化学传感器108

4.10.1 湿度传感器108

4.10.2 光纤光栅氢气浓度传感器110

4.11 光纤光栅电磁传感器113

4.11.1 动态磁场113

4.11.2 电压测量114

4.11.3 电流测量117

4.12 光纤光栅水声传感器122

4.12.1 光纤光栅直接测量水声122

4.12.2 平面型光纤光栅水听器124

4.13 应变与温度同时测量131

4.13.1 参考光纤光栅法131

4.13.2 长周期光纤光栅与光纤光栅组合法132

4.13.3 双波长光纤光栅法133

4.13.4 光纤光栅二阶谐波法134

4.13.5 闪耀光纤光栅135

4.13.6 超结构光纤Bragg光栅法136

4.13.7 不同掺杂的光纤光栅137

4.13.8 不同包层直径光纤光栅138

4.14 光纤光栅传感器的可靠性139

4.14.1 光纤性质对光纤传感器可靠性的影响139

4.14.2 加工过程对光纤传感器可靠性影响143

4.14.3 封装与安装对光纤传感器可靠性的影响143

参考文献145

第五章 光纤光栅传感器的应变传递理论151

5.1 前言151

5.2 埋入式光纤传感器的应变传递研究现状153

5.3 埋入式光纤传感器的应变传递分析160

5.3.1 光纤光栅传感器的应变传递160

5.3.2 光纤光栅传感器的应变传递分析160

5.3.3 结果与讨论164

5.4 埋入式光纤光栅传感器多层粘接情况下的应变传递165

5.5 埋入式光纤光栅传感器应变传递率的各种影响参数分析166

5.5.1 中间层厚度的影响167

5.5.2 光纤光栅传感器长度及中间层厚度的影响167

5.5.3 中间层弹性模量的影响168

5.5.4 中间层泊松比的影响169

5.6 非轴向力作用下埋入式光纤光栅传感器的应变传递分析169

5.6.1 光纤光栅传感器的应变传递分析171

5.6.2 试验及结果分析174

5.6.3 小结176

5.7 引入基体弹性模量的应力传递177

5.7.1 研究背景177

5.7.2 光纤光栅应变传感器的应力传递分析179

5.7.3 多个中间层的光纤光栅传感器应变传递分析184

5.7.4 应变传递影响参数分析186

5.7.5 小结189

5.8 光纤光栅传感器的反射光谱和外界应力之间的关系190

5.9 表面粘贴式光纤传感器应变传递机制分析190

参考文献193

第六章 光纤光栅动态响应特性分析196

6.1 引言196

6.2 光纤光栅应变传感器的设计种类196

6.2.1 应变波的传播过程197

6.2.2 应变波传到光纤光栅应变传感器的滞后时间198

6.2.3 光纤光栅应变传感器的可测频率的估计199

6.3 光纤光栅应变传感器在低频振动系统中的应用201

6.3.1 模型介绍201

6.3.2 试验设备202

6.3.3 试验结果分析202

参考文献204

第七章 光纤光栅传感器在模型实验中的应用205

7.1 引言205

7.2 混凝土固化期收缩应变监测实验205

7.2.1 概述205

7.2.2 传感器布设206

7.2.3 混凝土养护期收缩应变监测实验数据分析207

7.2.4 小结209

7.3 碾压仿真混凝土大坝分段模型实验209

7.3.1 引言209

7.3.2 模型设计及激励系统210

7.3.3 传感器布设方法210

7.3.4 数据采集系统211

7.3.5 试验过程211

7.3.6 随机波激励下光纤光栅传感器监测到的应变响应212

7.3.7 健康状况评价216

7.3.8 小结217

7.4 海底管线模型地震实验217

7.4.1 引言217

7.4.2 模型设计及激励系统217

7.4.3 传感器布置及数据采集系统218

7.4.4 试验结果218

7.4.5 小结220

7.5 海洋船只模型实验220

7.5.1 试验背景及传感器布置220

7.5.2 试验内容及测量结果221

参考文献224

第八章 光纤光栅传感器在工程中的应用225

8.1 引言225

8.2 在地源热泵系统中的应用225

8.2.1 引言225

8.2.2 温度监测系统226

8.2.3 监测结果分析227

8.2.4 小结230

8.3 在建筑结构中的应用230

8.3.1 引言230

8.3.2 传感器布设位置231

8.3.3 传感器布设工艺232

8.3.4 大连理工大学综合实验楼施工阶段的监测234

8.3.5 小结236

8.4 在大跨度空间结构健康监测中的应用236

8.4.1 项目背景236

8.4.2 大屋顶网架结构监测系统总体框架237

8.4.3 传感系统239

8.4.4 大屋顶网架光纤光栅传感系统240

8.4.5 光纤光栅传感系统和电致传感系统的比较242

8.5 单立柱海洋石油平台健康监测应用实例243

8.5.1 项目背景243

8.5.2 传感器布置图243

8.5.3 安装流程243

8.5.4 单立柱海洋石油平台的健康检测244

8.5.5 小结248

8.6 在南堡油田石油平台健康监测中的应用248

8.6.1 项目概况248

8.6.2 监测内容249

8.6.3 监测原理249

8.6.4 计算分析及监测点选择250

8.6.5 传感器以及仪器安装调试251

8.6.6 数据采集软件252

8.6.7 监测流程253

8.6.8 监测系统标定253

8.6.9 工作日报255

8.6.10 数据分析——荷载监测258

8.6.11 工作总结与展望258

8.7 在桥梁监测中的应用259

8.7.1 加拿大Calgary附近的Beddington Trail大桥260

8.7.2 我国滨州黄河公路大桥262

8.7.3 哈尔滨四方台大桥264

8.8 在地铁监测中的应用266

8.9 在大坝监测中的应用268

8.10 在架空输电线环境荷载监测中的应用269

8.10.1 监测背景270

8.10.2 架空输电线理论模型271

8.10.3 监测结果272

8.11 在航空航天复合材料／结构健康监测中的应用274

8.11.1 航空航天用复合材料简介275

8.11.2 在航空航天健康监测中的应用275

8.11.3 在航空航天工程应用中存在的问题及解决方法278

8.11.4 小结282

参考文献282

附录A 光纤的基本知识285

附录B 常用光纤无源器件291