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1、沈阳建筑大学 硕士学位论文 光纤布拉格光栅应变传感器温度灵敏度系数计算 姓名：赵健 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：孙丽 2010-01 摘要 目前我国土木工程事故频繁发生，如结构质量问题和地震等自然原因引起的桥梁的突 然折断、房屋骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失。于是工程结构的健康监测 与诊断越来越受到社会各界的广泛重视，对灾害的提前预警和在灾害发生后评估结构的损 伤程度及其剩余寿命已经成为当前各国学者们研究的热点。 无论是结构的健康监测还是智能结构控制，对结构当前状态的实时测量都是其中必不 可少的关键一环，光纤传感器由于其突出的优点而成为智能系统的首选传感器。但是光
2、纤 传感器由于其本身的传感原理，使得它同时对应变和温度敏感。所以在很多时候需要单独 测量应变或是温度变化时就需要区分测量和温度补偿，获得传感器的温度灵敏度则是精确 测量的基础。 本文从光纤布拉格光栅传感器的原理开始，进行了一系列研究: 首先分析了光纤布拉 格光栅传感理论和温度影响特性，给出了光纤布拉格光栅的传感模型；之后通过标定实验 测定了 F B G埋入 G F R P筋后的温度灵敏度；提出了光纤布拉格光栅传感器封装（或埋入基 体）后的温度灵敏度计算方法，并分别就不同封装的光纤布拉格光栅温度灵敏度系数进行 了计算；最后通过理论推导和力学分析给出了表观温度灵敏度计算方法，作为近似的温度 灵敏度
3、计算方法指导工程实际应用。 标定实验使用水浴法，并分别通过升高水温和降低水温两次对 F B G - G F R P智能筋进行 标定，得到了温度灵敏度系数；应力分析法使用有限元软件建立试件模型，再利用得到的 仿真数据算得温度灵敏度系数；在表观温度灵敏度系数法中，我们对智能 G F R P筋力学模 型进行简化，推导出了智能 G F R P筋温度灵敏度近似计算公式。表观温度灵敏度系数法计 算过程简单，需要参量少，相比标定结果和应力分析结果误差在 2 % 以内，使此方法能够在 工程实际中应用。 关键字：光线布拉格光栅（F B G ） ；水浴标定；温度灵敏度；有限元；温度应力；G F R P智能 筋；钢
4、管封装；表观温度灵敏度 Abstract At present in our country，civil engineering accident occur frequently, such as the bridge collapsed and house suddenly snap, causes by structural quality problem, and earthquake, etc natural. It has caused serious casualties and property losses. Then structure health monitoring
5、and diagnosis more and more attention by all circles of the society, the early warning of disaster or assessment of the extent of structural damage and the remaining life after disaster has become the scholars research hotspot. Whether in structural health monitoring or smart structure control, the
6、real- time measurements of current state of the structure are essential to a key ring, and fiber optic sensors has become intelligent system of choice for sensors because of its outstanding merits. However, its own sensing principle makes it strain and temperature- sensitive at the same time. Theref
7、ore, in many cases they need to distinguish between measurement and temperature compensation when the separate measurement of strain or temperature change is required, so the access to the sensor temperature sensitivity is the basis for accurate measurement. In this paper, the principle of fiber Bra
8、gg grating sensors began a series of studies: firstly the sensor model is given from analysis of fiber Bragg grating sensor theoretical and temperature characteristics ; lately the temperature sensitivity of FBG embedded in GFRP bars determined through calibration experiments; and Then elaborated on
9、 the method to calculate the temperature sensitivity of fiber Bragg grating sensor packaged (or buried in the matrix), and calculated different packages of fiber Bragg grating temperature sensitivity coefficient; finally the calculation method of the apparent temperature sensitivity is given through
10、 theoretical derivation and mechanical analysis, as an approximate calculation methods to guide the engineering application. The heating water bath method and cooling water bath method are used in calibration experiments respectively, then the temperature sensitivity coefficient are obtained; Based
11、on the stress analysis, sample model is made through finite element software, and emulated data is achieved to figure out the temperature sensitivity coefficient. Moreover, apparent temperature sensitivity coefficient method simplifies the mathematical method of FBG- GFRP smart bar and derives the a
12、pproximate formula. For apparent temperature sensitivity coefficient method, the calculated process is simple and the parameter is relatively few. Compared to the calibrated data and stress analysis result, the inaccuracy of coefficient of apparent temperature sensitivity is limited within 2% which
13、could offer reference for the practical application of the project. Keywords: Fiber Bragg Gratings （FBG） ； Water- bath Calibration； Temperature Sensitivity； Finite Element, Temperature Stress, GFRP Smart Bar； Steel Packaging ；Apparent Temperature Separately 声 明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中 取得的研究成果除
14、加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与 我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者和 导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。 ） 学位论文作者签名： 导师签名： 日 期：
15、日 期： 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究的目的和意义 目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等，造成了重大 的人员伤亡和财产损失；地震、洪水、暴风等自然灾害也对这些建筑物和结构造成不同程 度的损伤；还有一些人为的爆炸等破坏性行为，如美国世贸大楼倒塌对周围建筑物的影响。 这些越来越引起人们的密切关注1。另外，我国有一大部分桥梁和基础设施都是在五六十 年代建造的，经过这么多年的使用，它们的安全性能如何？是否对人民的生命财产构成威 胁？这些都是亟待回答的问题。 2007 年 3 月 4 日，辽宁省遭遇历史罕见雪灾，大量建筑结构发生破坏和倒
16、塌，造成了 重大的财产损失。2007 年 6 月 15 日上午 5 时许，广东，325 国道九江大桥被一艘运输船 撞击桥墩，造成 200 多米桥面坍塌。2007 年 8 月 13 日 16 时 45 分许，正在拆架的湖南省 湘西自治州凤凰县堤溪大桥发生坍塌事故。受伤 22 人，29 人死亡，30 人失踪。 2008 年 1 月 10 日起中国浙江、江苏、安徽、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西、 重庆、四川、贵州、云南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆和新疆生产建设兵团等 19 个 省级行政区均受到低温、雨雪、冰冻灾害影响，死亡 60 人；失踪 2 人，紧急转移安置 175.9 万人，倒塌房屋 22.3 万间，损坏房屋 86.2 万间；大量输电塔等轻型结构破坏，直接经济 损失 537.9 亿元2。 2008 年 30 日 0 时 20 分许，位于上海浦东大道 2851 号的上海沪东中华造船集团有限 公司发生了一起龙门吊垮塌事故，造成 3 名工人死亡、2 名员工受伤。 2008 年 5 月
