光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)理論和應(yīng)用研究.pdf

1、材料與結(jié)構(gòu)的智能化是21世紀(jì)具有挑戰(zhàn)性的課題。利用智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)解決重大工程結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期內(nèi)的健康監(jiān)測和安全評(píng)估問題，是一個(gè)世界性的研究熱點(diǎn)，具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。“結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”是智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展與綜合的象征，是高新技術(shù)開發(fā)與集成的標(biāo)志，也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的集中體現(xiàn)。研究開發(fā)在長期穩(wěn)定性上滿足工程要求的傳感元件、發(fā)展新型光纖光柵智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是從根本上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心工作之一。 本論文在國家自然科學(xué)

2、基金、國家863計(jì)劃和湖北省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，從基礎(chǔ)理論、基本實(shí)驗(yàn)、工程應(yīng)用上研究了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的理論和應(yīng)用技術(shù)，從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等方面探討了用于重大工程結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器的制備技術(shù)、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。目的是研制出光纖光柵應(yīng)變、溫度和壓力等傳感器及其所構(gòu)成的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)在重大工程建設(shè)中的應(yīng)用。本論文的相關(guān)研究工作歷時(shí)五年，多項(xiàng)研究成果通過相關(guān)的成果鑒定，并已在多個(gè)重大工

3、程項(xiàng)目上獲得實(shí)際應(yīng)用，成為國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)的部分內(nèi)容。 本文主要內(nèi)容包括：光纖光柵的智能傳感機(jī)理，穩(wěn)定、可靠的光纖光柵傳感元件和多參量光纖光柵傳感器的研制，光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其自診斷功能實(shí)現(xiàn)方法的研究，以及“結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”在重大工程中的應(yīng)用研究等。 一、對(duì)智能材料與結(jié)構(gòu)、智能材料與結(jié)構(gòu)中的傳感技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了回顧和展望，探討了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的基本概念和構(gòu)成方式。

4、 二、從光纖光柵光敏性的研究出發(fā)，對(duì)光纖光柵的傳輸理論和基本智能傳感特性進(jìn)行了理論推證，分析了光纖光柵的傳感機(jī)理。從傳感用光纖光柵的要求出發(fā)，通過對(duì)載氫、光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)、光刻條件和退火工藝對(duì)光纖光柵光譜特性影響理論和實(shí)驗(yàn)的研究，總結(jié)出有關(guān)制備具有長期穩(wěn)定性光纖光柵傳感元件較理想的技術(shù)和工藝條件。 三、基于智能材料與結(jié)構(gòu)的相容性要求，通過對(duì)光纖光柵/傳感器/待測界面應(yīng)變傳遞特性、光纖光柵復(fù)合彈性體結(jié)構(gòu)的理論研究和分析，形成基于應(yīng)變傳

5、遞效率的光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本設(shè)計(jì)方法?？偨Y(jié)了基于熱、力耦合作用加速檢驗(yàn)光纖光柵傳感器長期穩(wěn)定性的新方法。 a)研制出具有較好工程適應(yīng)性、穩(wěn)定性和可靠性的應(yīng)變、溫度、壓力等多參量的光纖光柵傳感器，并實(shí)現(xiàn)在多個(gè)重大工程項(xiàng)目安全監(jiān)測中的應(yīng)用。 b)進(jìn)行了被測結(jié)構(gòu)—光纖—彈性體—封裝材料復(fù)合體界面力學(xué)狀態(tài)分析，研究了應(yīng)變傳遞問題。通過有限元分析，提出滿足混凝土結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)等材料結(jié)構(gòu)測量的應(yīng)變傳感器的基本設(shè)計(jì)原則和方法。

6、 c)形成了一些光纖光柵傳感器的制造工藝和性能標(biāo)定方法。 d)發(fā)現(xiàn)熱-力耦合作用導(dǎo)致應(yīng)變傳遞特性的改變是影響傳感器長期穩(wěn)定性的主要因素，初步提出了基于熱、力耦合作用加速檢驗(yàn)光纖光柵傳感器長期穩(wěn)定性的新方法。 四、研究了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法 a)通過對(duì)光纖光柵復(fù)用傳感技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)出基于光纖光柵傳感陣列的結(jié)構(gòu)損傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型實(shí)驗(yàn)對(duì)四支板結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別機(jī)理進(jìn)行了研究，探討了實(shí)

7、現(xiàn)光纖光柵智能材料結(jié)構(gòu)自診斷功能的技術(shù)和方法。 b)研究、設(shè)計(jì)了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和重大工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測和安全評(píng)估系統(tǒng)。 c)通過大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖光柵應(yīng)變傳感器的安裝和布設(shè)工藝的合理性，提出了重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的理想安裝工藝及組織實(shí)施辦法。 五、在國內(nèi)，將光纖光柵傳感器及其結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)率先應(yīng)用在多個(gè)重大工程結(jié)構(gòu)(包括混凝土橋梁、鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等)，并與傳統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。應(yīng)用