混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測

混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測光纖傳感器應(yīng)用綜述應(yīng)用領(lǐng)域目的使用的光纖傳感器軍事應(yīng)用1.火箭、人造衛(wèi)星、飛機、船舶、機動車輛的慣性制導(dǎo)和導(dǎo)航2.火箭液體燃料監(jiān)測3.核武器試驗、核廢料監(jiān)測和衛(wèi)星空間輻射監(jiān)測4.保密系統(tǒng)光纖陀螺儀、加速度計深冷、溫度、壓力、液面?zhèn)鞲衅鬏椛鋫鞲衅?、輻射劑量計聲、入侵探測、振動傳感器機械加工工業(yè)應(yīng)用1.決定控制位置2.監(jiān)測和測量3.機器人4.過程控制速度、角速度、位移傳感器尺寸、形狀、表面粗糙度、探傷、應(yīng)變觸覺（壓力）、位移、速度、角速度等溫度、流量、壓力等傳感器能源工業(yè)應(yīng)用地球物理探測陀螺儀、溫度、壓力等傳感器石油化工過程控制監(jiān)測近海油田溫度、壓力、流量、液面氣體探測、漏油監(jiān)測天然氣探測器、水聲、壓力、流量傳感器電力機器運行狀態(tài)輸變電線路電廠/電壓、磁場/電流、溫度壓力、流量、振動、氣體等傳感器電壓、電流、溫度、雷擊等煤氣生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用診斷設(shè)備生理/病理分析血氧測定血流量、pH值、葡萄糖等溫度、壓力熒光測定，流量傳感器基于光纖傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測技術(shù)出現(xiàn)的背景和意義既有結(jié)構(gòu)檢測與診斷的需要結(jié)構(gòu)安全性評價的需要

經(jīng)歷了自然災(zāi)害（地震、臺風(fēng)、洪水等）人為的爆炸等破壞性行為

之后，對建（構(gòu)）筑物，尤其是重要結(jié)構(gòu)（如醫(yī)院，電廠，軍事指揮中心，救援指揮中心）的健康評估是很迫切的例：1994年1月17日，美國加州Northridge大地震時，一些建筑物在遭受主震后并未倒塌，但結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在了損傷而未及時發(fā)現(xiàn)，在后來的一次較大的余震作用下倒塌了

混凝土技術(shù)發(fā)展的需要混凝土結(jié)構(gòu)強度高、剛度大、耐久性好的要求，決定了它被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代土木工程中但是，高強混凝土本身存在缺陷：隨著強度的提高，混凝土的脆性明顯上升配制工藝的不成熟，強度的不穩(wěn)定目前最常用的回彈法和超聲法測試精度不夠光纖傳感器特點高靈敏度，抗電磁干擾。頻帶寬、動態(tài)范圍大?？筛鶕?jù)實際需要做成各種形狀。可以用很近似的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器（包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、位移、液位、流量、電流、輻射等）便于與計算機和光纖系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能小。國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀MichiganStreetBridgeWinooski水電站國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀香港青馬大橋應(yīng)用舉例

2003年9月，上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光纖光柵傳感應(yīng)變計埋設(shè)于混凝土中對北京中關(guān)村金融中心進行靜態(tài)應(yīng)變測量。應(yīng)用舉例采用四層一折線的厚板斜形箱體鋼柱，南北側(cè)面為弧形扇形面，柱、梁連接為高強連接螺栓連接。整幢建筑設(shè)計新穎、獨特，具有超時代美感。該建筑地面部分為全鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量達(dá)13500噸應(yīng)用舉例技術(shù)概述將性能穩(wěn)定、耐久性好的智能傳感元件埋入或粘貼于結(jié)構(gòu)中對最能反映結(jié)構(gòu)安全性態(tài)的參數(shù)如應(yīng)變、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)、位移、溫度等進行監(jiān)測評價結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性為結(jié)構(gòu)的維修、報廢和預(yù)警決策提供可靠的依據(jù)基于FBG混凝土健康狀況監(jiān)測FBG結(jié)構(gòu)與傳感原理均勻軸向應(yīng)力下的FBG傳感特性分析FBG溫度傳感特性分析FBG結(jié)構(gòu)與傳感原理FBG結(jié)構(gòu)圖FBG結(jié)構(gòu)與傳感原理觀測反射譜或透射譜，確定波長漂移值，便可判斷待測量的變化值，此乃FBG用于傳感時最基本的工作原理。FBG結(jié)構(gòu)與傳感原理

FBG傳感器采用波長編碼，因此能被FBG感知的物理量一定能夠引起其布拉格波長的變化。布拉格公式的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其微分形式可表述為

可見能引起折射率或格柵間距發(fā)生微擾的物理量均能引起布拉格反射波長的變化，并被FBG傳感元所感知。均勻軸向應(yīng)力下的FBG傳感特性分析

軸向應(yīng)力作用于FBG光纖介質(zhì)時，一方面使得FBG被機械性的拉伸而改變光柵常數(shù)，同時彈光效應(yīng)使得FBG折射率發(fā)生變化，兩者分別為

式中

為軸向應(yīng)變;和是彈光系數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)致的縱向和橫向折射率常數(shù);為泊松比。均勻軸向應(yīng)力下的FBG傳感特性分析

令，其中

是有效彈光系數(shù)。

由此，可得

上式為FBG軸向應(yīng)變下的波長變化數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是處理FBG應(yīng)變傳感的基本關(guān)系式?？梢钥闯?，F(xiàn)BG的材料一旦確定后，F(xiàn)BG對應(yīng)變的傳感特性系數(shù)基本上為一與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)，這就從理論上.保證了FBG作為應(yīng)變傳感器具有很好的線性輸出。均勻軸向應(yīng)力下的FBG傳感特性分析

令，可視為軸向應(yīng)變與中心波長

相關(guān)的靈敏度，由此可得

上式為FBG中心波長與軸向應(yīng)變的數(shù)學(xué)關(guān)系，它可以方便地將波長變化數(shù)據(jù)處理成應(yīng)變結(jié)果。FBG溫度傳感特性分析

溫度一方面由于熱漲效應(yīng)使得FBG伸長而改變其光柵常數(shù)，另一方面熱光效應(yīng)使得光柵區(qū)域的折射率發(fā)生變化。

FBG溫度傳感特性分析

一定溫度范圍內(nèi)二者均與溫度的變化量△T成正比，可分別表示為

其中為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，V為光纖的歸一化頻率。FBG溫度傳感特性分析

溫度變化引起的FBG波長漂移主要取決于熱光效應(yīng)，它占熱漂移量的95%左右，記

稱之為熱光系數(shù)。則溫度對FBG波長漂移的總的影響為

上式即為FBG溫度變化作用下的波長變化數(shù)學(xué)表達(dá)式，它是處理FBG溫度傳感的基本關(guān)系式。FBG溫度傳感特性分析

令