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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