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1、混凝土结构健康状况监测 20701283 李宁 混凝土结构健康状况监测 光纤传感器应用综述 应用领域目的使用的光纤传感器 军事应用1.火箭、人造卫星、飞 机、船舶、机动车辆的 惯性制导和导航 2.火箭液体燃料监测 3.核武器试验、核废料 监测和卫星空间辐射监 测 4.保密系统 光纤陀螺仪、加速度计 深冷、温度、压力、液 面传感器 辐射传感器、辐射剂量 计 声、入侵探测、振动传 感器 机械加工 工业应用 1.决定控制位置 2.监测和测量 3.机器人 4.过程控制 速度、角速度、位移传 感器 尺寸、形状、表面粗糙 度、探伤、应变 触觉（压力）、位移、 速度、角速度等 温度、流量、压力等传 感器 能
2、源工业应用地球物理探测陀螺仪、温度、压力等 传感器 石油化工过程控制 监测 近海油田 温度、压力、流量、液 面 气体探测、漏油监测 天然气探测器、水声、 压力、流量传感器 电力机器运行 状态 输变电线 路 电厂/电压、磁场/电流 、温度压力、流量、振 动、气体等传感器 电压、电流、温度、雷 击等 煤气 生物医学应用诊断设备 生理/病理分析 血氧测定 血流量、pH值、葡萄 糖等 温度、压力 荧光测定，流量传感器 基于光纤传感器的混凝土结构健康状况监测 技术出现的背景和意义 既有结构检测与诊断的需要 结构安全性评价的需要 经历了 自然灾害（地震、台风、洪水等） 人为的爆炸等破坏性行为 之后，对建（
3、构）筑物，尤其是重要结构（如医院， 电厂，军事指挥中心，救援指挥中心）的健康评估是 很迫切的 例：1994年1月17日，美国加州Northridge大地震时，一些 建筑物在遭受主震后并未倒塌，但结构已经存在了损伤 而未及时发现，在后来的一次较大的余震作用下倒塌了 混凝土技术发展的需要 光纤传感器特点 高灵敏度，抗电磁干扰。 频带宽、动态范围大。 可根据实际需要做成各种形状。 可以用很近似的技术基础构成传感不同物理量的传感 器（包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、 液位、流量、电流、辐射等） 便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测 和控制。 结构简单、体积小、质量轻、耗能小。 国内
4、外研究和应用现状 Michigan Street Bridge Winooski水电站 国内外研究和应用现状 香港青马大桥 应用举例 2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的 光纤光栅传感应变计 埋设于混凝土中对北京中关村 金融中心进行静态应变测 量。 应用举例 采用四层一折线的厚板斜形箱体钢柱，南北侧面为弧 形扇形面，柱、梁连接为高强连接螺栓连接。整幢建 筑设计新颖、独特，具有超时代美感。该建筑地面部 分为全钢结构，用钢量达13500吨 应用举例 技术概述 将性能稳定、耐久性好的智能传感元件埋入或粘贴于结 构中 对最能反映结构安全性态的参数如应变、速度、加速度 、旋转、位移、温度等
5、进行监测 评价结构的安全性、完整性、适用性与耐久性 为结构的维修、报废和预警决策提供可靠的依据 基于FBG混凝土健康状况监测 FBG结构与传感原理 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 FBG温度传感特性分析 FBG结构与传感原理 FBG结构图 FBG结构与传感原理 观测反射谱或透射谱，确定波长漂移值，便 可判断待测量的变化值，此乃FBG用于传感 时最基本的工作原理。 FBG结构与传感原理 FBG传感器采用波长编码，因此能被FBG感知的物理 量一定能够引起其布拉格波长的变化。布拉格公式的 数学表达式为 其微分形式可表述为 可见能引起折射率或格栅间距发生微扰的物理量均能 引起布拉格反射波长的变化，
6、并被FBG传感元所感知 。 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 轴向应力作用于FBG光纤介质时，一方面使得FBG被 机械性的拉伸而改变光栅常数，同时弹光效应使得 FBG折射率发生变化，两者分别为 式中 为轴向应变; 和 是弹光系数，即纵向应变 分别导致的纵向和横向折射率常数; 为泊松比。 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 令 ，其中 是有效弹光系数。 由此，可得 上式为FBG轴向应变下的波长变化数学表达式，它是 处理FBG应变传感的基本关系式。可以看出，FBG的 材料一旦确定后，FBG对应变的传感特性系数基本上 为一与材料系数相关的常数，这就从理论上.保证了 FBG作为应变传感器具有很好的线
7、性输出。 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 令 ， 可视为轴向应变与中心波长 相关的灵敏度，由此可得 上式为FBG中心波长与轴向应变的数学关系，它可以 方便地将波长变化数据处理成应变结果。 FBG温度传感特性分析 温度一方面由于热涨效应使得FBG伸长而改 变其光栅常数，另一方面热光效应使得光栅 区域的折射率发生变化。 FBG温度传感特性分析 一定温度范围内二者均与温度的变化量T成正比， 可分别表示为 其中 为光纤材料的热膨胀系数，V为光纤的归一化 频率。 FBG温度传感特性分析 温度变化引起的FBG波长漂移主要取决于热光效应， 它占热漂移量的95%左右， 记 称之为热光系数。则温度对FBG波长漂移的总的影响 为 上式即为FBG温度变化作用下的波长变化数学表达 式，它是处理FBG温度传感的基本关系式。 FBG温度传感特性分析 令 ， 为FBG温度传感的灵敏 度，由此可得 上式即为FBG波长变化与温度变化的关系式，它可以 方便地将波长变化数据处理成温度增量结果。 应用举例 埋入混凝土前 应用举例 埋入混凝土后 THANKS！
