硕士论文-光纤bragg光栅锚索测力环的研制及工程应用.pdf

武汉理工大学
硕士学位论文
光纤 Bragg光栅锚索測力环的研制及工程应用
姓名:郝义昶
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:姜德生
20060501
武汉理工大学硕士学位论文
中文摘要
目前土木工程领域内,各种锚索构件得到广泛使用,如桥梁的拉索、主缆
和吊索,以及用于边坡加固的岩体预应力锚索等。作为这些土木工程体系的关
键受力构件,其受力大小、受力变化及分布最直接地反映了土木结构的安全健
康状况,因此,对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全健康状况分析
评估具有重大意义。
使用测力传感器是直接测试锚索类构件张力的主要手段,传统测力传感器
的结构形式有轮辐式、环式和液压式三种,其中的环式测力传感器也称测力环叫
基于传统测试技术的测力环,其传感原理主要有差动电阻式、振弦式和电阻应
变片式等。对于短期测试索力来说,传统测力环基本能够满足工程应用,但是
传统测试技术本身的局限性导致长期的索力监测无法实现。因此,能够长期可
靠测试索力的新型测力环成为土木工程界追求的目标。
本文基于最新发展的光纤光栅传感技术,研制出一种新型的光纤光锚索
测力环。工程应用表明,光纤Brag光栅传感器除具有传统电类传感器的功能
外,它还具有精度高、分布式传感、绝对数值测量、长期稳定性好、抗电磁干
扰等优点,能很好地实现对锚索的实时、在线监测。但光纤光栅对压力的敏感
度较低,而且对温度与应变交又敏感,所以必须对Brag光栅进行压力增敏和
采取有效的温度补偿才能满足工程实际要求。因此本文对光纤Brag光栅传感
器与弹性体的附着技术方法和温度补偿方法进行了深入研究,并且将其应用实
际工程中。本文主要工作如下
1.基于光纤光栅传感原理和预应力锚索的工作结构,提出了一种新的测力
环设计方法。本文研究了光纤光栅测力环的工作原理;对测力环的弹性体的材
料选用、误差分析、结构参数设计进行了研究;确定了测力环的结构,进一步
考察了测力环结构尺寸和光纤光栅附着方式对传感器性能的影响。
2.有效地解决了传感器研制过程中的关键工艺技术。本文成功地将光纤光
应变传感器采用激光焊接技术附着于弹性体上,实现了敏感元件光栅的有效
封装和压力增敏,为解决光纤光栅传感器研制中最为困难的光栅安装固定工
问题提供了一个新方案。研究了适合工业应用的光纤光栅测力环的封装方法和
制作工艺
武汉理工大学硕士学位论文
3.对新研制的光纤光栅测力环进行了大量实验研究,分析了传感器的各项
性能指标。对新研制的光纤光栅测力环的温度补偿方式进行了实验研究,为解
决光纤光栅传感器研制中的温度补测问题提供了一个新方案
4.取得了良好的工程应用效果。成功地将新研制的光纤光栅锚索测力环应
用于工程实际,取得较好的监测效果。
研究表明,研制的光纤光栅锚索测力环具备良好的重复性、线性度和灵敏
度,可以满足实际应用的要求,具有广阔的应用前景。
关键词:光纤光栅,测力环,封装,土木工程
武汉理工大学项士学位论文
Abstract
For numerous large-scale bridges in modern construction, cording structure is
used extensively, for instance the oblique cable of cable-stay bridge, main cable and
sling of the suspension bridge, and the bowstring and steeve in the bowstring arch
bridge, etc As pivotal bearing strength component in these bridge system, its strain
size, variation and disruption reflects the security and health status of large-scale
bridges most directly. so it have great meanings to monitor tension statues of these
components as well as assess security and health statues based on the monitoring
esults
sing the strain sensors is the directly main method of measuring the tension of
cording component, the three structure forms of the strain sensor are spoke type, ring
type and hydraulic pressure type, the ring type strain sensor among them is being
called the load cell too 5 ) The strain sensor on the basis of traditional measure
technology, has different sensing principles, such as differential resistance type,
shakes string type, or resistance to meet an emergency mainly one scene of types, etc
For a short time strain testing, traditional load cell can satisfy the project application
basically, but tradition test technological limitation of itself cause long-term strain
monitoring unable to realize. So, the new-type load cell that can monitor the strain
reliably for a long time becomes the pursuing goal in the field of bridge building
Based on Fiber Bragg Grating sensing techmology that has come into being
recently, this paper has strived to develop a novel FBG load cell that adapts to civil
engineering. Applications show that the FBG sensor has some special characteristics
such as high precision. distributed sensing, absolute data testing, good long-term
stability and immune to electromagnetic interference, and it can realize real-time and
on-line monitoring, in addition to havin