一种BOTDR光纤温度传感器试验研究

BOTDR适于大尺度分布式健康监测,但对于结构点位的监测效果却不是很理想。本文研发一种基于布里渊光时域散射原理的光纤温度传感器,本传感器由裸光纤封装而成适用于结构点位监测。实验分析了BOTDR各项性能指标相同的条件下封装长度不同时对温度的灵敏度以及可重复性的影响。确定了当BOTDR所设参数一定时光纤温度测量段长度选择。验证了BOTDR温度传感器器检测结构局部点位温度的可行性,实验表明光纤温度传感器线性度和实验的重复性都很好。     

分布式光纤传感器用于桥梁和路面的健康监测

介绍了两类先进的分布式光纤传感器技术,即光纤光栅(FBG)和布里渊光时域反射计(BOTDR);分别在 T型RC简支梁和连续配筋混凝土路面(CRCP)中布置了FBG和BOTDR分布式光纤传感系统,对简支梁混凝土动、静应变以及路面板中连续钢筋和混凝土应变进行了实时监测。研究结果表明,FBG和 BOTDR在桥梁和路面等一些土木工程结构的健康监测中具有重要的应用前景。     

BOTDR光纤温度监测技术在土木工程中的应用研究

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一种新型的分布式光纤传感技术。布里渊光频移量不仅与光纤的应变状态相关,还与光纤的温度存在相应的线性关系,因此BOTDR可以用作分布式的温度监测。本文对基于BOTDR的分布式温度监测技术及其在土木工程中的应用展开了实验研究,研究选用的是美国康宁公司900μm单模紧套光纤,实验标定布里渊光频移量对温度的敏感度为1.43 MHz/℃。通过室内外实验以及在实际隧道工程中的应用,验证了BOTDR的温度测量精度达2℃,因此将该技术应用于分布式温度监测是可行的,长期稳定性良好。     

聚乙烯管道变形分布式光纤监测试验研究

聚乙烯材料的管道易于变形,因此对其在安装和运营过程中的变形监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型的分布式光电传感应变监测技术,已被广泛应用于结构物的变形监测中。本文基于该项技术,设计了一套聚乙烯管道变形分布式光纤监测试验方案,对聚乙烯管道纯弯曲变形进行了试验研究,获取了管道表面光纤沿线的应变分布,据此分析了管道的变形方位,并推算出纯弯曲状态下的管道转角,验证了该技术在聚乙烯管道分布式监测中应用的可行性,为地下管道的一站式在线监测提供了一种新的技术方法。     

灌注桩检测中BOTDR温度补偿试验研究

运用基于布里渊光时域反射计(简称BOTDR)的温度自补偿方法,采用特殊封装的温度传感光纤,检测了灌注桩在混凝土养护期内由温度变化引起的应变变化量和静载荷试验过程中的温度变化。结果表明:混凝土养护末期由温度引起的应变变化量很小,说明在混凝土养护末期,其水化热已消散;在灌注桩静载荷试验过程中,由温度补偿光纤所测的温度变化引起的应变量值也很小。因此,在灌注桩光纤分布式检测中,由温度引起的光纤应变检测误差可忽略不计。     

基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析

应变数据的温度补偿一直是光纤应变传感技术(如BOTDR)应用于实际工程的主要障碍,虽然目前有了不少理论方法试图解决这个问题,但实际运用起来却效果不佳。本文通过对云南白泥井3号隧道光纤应变监测项目的实例分析,提出了一种新的BOTDR温度补偿方法。应用该方法对白泥井3号隧道进行的温度场分析表明,隧道内空气温度场的温度变化明显要大于隧道结构温度场,而在总体的温度变化趋势上,它们都同当地的气候条件保持一致。     

基于分布式应变监测的大跨度斜拉桥结构损伤探测

结构损伤具有典型的局部性质,通常表现为局部应变的异常。结构应变的分布式监测与损伤敏感特征分析,是实现大跨桥梁损伤探测与定位的理想途径之一。但是,由于环境噪声的影响,对分布式应变信号的监测往往不能准确反映结构出现的损伤状况。因此,提出了通过小波变换对分布式光纤测试的斜拉桥桥面应变分布进行多尺度分析的方法。这种方法可以克服分布式光纤应变监测信号受观测噪声和空间分辨率平均效应的不利影响,准确地确定空间域信号奇异点在桥面的位置。同时,在实验室建立了比尺为1∶150的模型斜拉桥。通过对斜拉桥数值模型与物理模型试验结果的分析和比较,验证了所提出方法的有效性。     

基于光纤光栅的地基土瞬态应变响应试验研究

为掌握冲击荷载下一定范围内地基土的应变发展、分布和变化规律,采用光纤布拉格光栅(FBG)技术,通过在级配连续的均匀密砂地基中水平埋设三层传感光纤,获得了不同落球高度条件下土体内部应变的动态响应。试验结果表明,各组试验中土体应变经历了幂律增长、线性增长、幂律减小(回弹)和残余应变(稳定)的四个阶段。土体达到峰值应变的时刻存在高度一致性,试验中测得约为100 ms;冲击荷载的影响深度在20 cm左右,为钢球直径的4~5倍。在相同FBG埋深条件下,土体应变随钢球落高增加呈近线性增长;在相同钢球落高条件下,土体应变随FBG埋深增加呈指数减小。研究成果对揭示土体应变发展机理、估算地基土体强度参数和快速测定含水率的进一步探索具有一定的指导意义。     

基于OFDR的不连续管道竖向错开变形定量监测∗

近年来逐步发展起来的分布式光纤传感技术被大量应用于管道变形监测当中,而现有的光纤传感技术无法满足高空间分辨率的要求,采用一种新型的光频域分布式光纤传感技术(OFDR),对不连续管道在加荷条件下的竖向错开变形进行室内模型试验研究,提出了一种定量计算方法,并将计算值与千分表监测的实际值进行对比分析。 室内试验的结果表明,OFDR 能够精确地反映监测部位的应变,揭示不连续管道接缝处的变形规律。通过所提出的算法将应变值转化为竖向错开变形量,并与千分表的监测值进行对比分析。提出的算法能够定量监测不连续管道的竖向变形量,为实际工程提供竖向错开变形的下限值,为实际工程中的管道安全和预警提供依据。     

边坡变形的分布式光纤监测试验研究及实践

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型光电传感仪器,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。该技术采用光纤作为传感和传输介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测等特点。本文总结了近几年来分布式光纤在边坡工程中监测的工程实践和试验研究结果。实践表明,将光纤传感器铺设在加固边坡的锚杆和框架梁中,在加固边坡的同时进行安全监测,可以取得良好的效果;而将光纤直接铺设在边坡浅层土体中进行监测,可以及时对边坡安全提供预警,但往往不利于长期监测。本文还介绍了将光纤传感器布设在用于加固边坡的土工织物中进行安全监测的室内试验研究。实验证明,不同的光纤类型、布设方法、土工织物性能等都会对监测结果产生影响。最后分析了分布式光纤监测在岩土工程监测中的应用前景,以及今后研究的关键技术问题。     

粤赣高速公路K3边坡光纤监测与数值模拟对比分析

本文采用基于FLAC3D软件的数值模拟方法,对粤赣高速公路K 3边坡工程锚杆的应力应变状态进行数值模拟,分析了全长粘结式锚杆的荷载传递机理;根据运用基于自发布里渊背向散射原理(BOTDR)的分布式光纤应变传感技术对锚杆的轴向应变进行的监测数据,分析了工程锚杆的变形特征。数值模拟与实测数据的对比分析表明,模拟曲线与监测曲线反映的工程锚杆的变形特征具有较高的一致性,验证了应用FLAC3D有限差分软件模拟锚杆-框架体系应力应变特征的合理性,以及基于BOTDR的锚杆应变分布监测的可行性。     

隧道结构健康监测系统与光纤传感技术

隧道安全关系到人类生命安全和社会经济活动,及时掌握隧道结构健康状态是确保隧道安全的重要前提。在详细分析结构健康监测的概念、系统组成和发展现状的基础上,结合隧道结构的具体特点,提出了隧道结构健康监测的定义,构建了一个集监测、诊断和状态评价为一体的隧道结构健康监测系统,重点介绍了光纤结构监测(SO-FO)、布拉格光纤光栅(FBG)和分布式光纤传感器(BOTDR)等3种光纤传感技术的基本原理、功能及其在隧道结构健康监测系统中的作用。有理由相信,以光纤传感技术为代表的新一代工程监测技术将为隧道结构健康监测系统的建立提供厚实的技术基础。     

光纤传感器FBG和BOTDR应用于结构监测的若干比较研究

对建筑结构进行健康监测,可以防止和避免灾害的发生。传感器的选择和使用是进行结构监测时首先要考虑的问题。光纤传感器是一种新型的传感器,因种类不同在性能方面也相差较大。FBG(FiberBraggGating,光纤Bragg光栅)和BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,布里渊光时域反射计)是近些年来发展比较快的光纤传感器,本文介绍了这两种光纤传感器,并着重从两者传感的基本原理、传感系统组成、温度补偿研究和性能优劣等方面进行了详细的比较,得出了各自作为结构监测传感器的优缺点,为今后的监测选用提供了依据,使应用两者时能够做到扬长避短。     

温度与非轴向力对光纤光栅应变传递影响的分析

由于光纤、保护层和粘贴层以及基体材料的物理力学性能不同,使得光纤光栅传感器的测量应变不等于基体材料的实际应变。本文以埋入式非轴向力作用下的光纤光栅作为研究对象,采用弹性理论分析,利用剪滞法,推导了光纤光栅传感器在非轴向力和温度共同影响下的测量应变与基体结构实际应变之间的应变传递计算公式,并采用有限元方法对其分析,讨论了温度变化对非轴向力作用下的光纤光栅应变传递的影响,为埋入式光纤光栅传感器在非轴向力和温度影响下的应变测量提供理论依据。     

海岛环境条件下超长灌注桩温度光纤监测研究∗

为了弥补传统监测手段的不足,更好地掌握海岛环境条件下超长灌注桩温度分布规律,采用了布里渊光时域反射（BOTDR）技术,在海岛环境条件下将光纤温度传感器安装在灌注桩上,对气温变化下 116 m 长的灌注桩进行了长期温度监测试验。监测结果表明：本次用于超长灌注桩桩体温度测量的光纤传感器均存活,说明传感器布设工艺的合理性,同时从测试结果来看,光纤温度传感器基本上没有受到外力的干扰;采用 DB5 小波对光纤测试数据进行降噪;从桩体温度变化曲线来看,海岛环境条件下的超长灌注桩桩体温度变化非常复杂,桩头位置温度变化量最大,随着深度增加,温度变化量逐渐减小,至 18 m 深度处温度基本不发生变化;桩体温度场的变化存在时间效应。     

北京故宫东华门城台分布式光纤监测研究

以北京故宫东华门城台墙体为监测对象,基于布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)对北京东华门城台的北墙体、西墙体和中门洞的变形及渗漏进行了监测。监测结果显示:大部分感测光纤段的应变测量值分布在±100με测量误差范围内,只有城台西墙体部分横向感测光纤段的应变值分布在150~250με之间,表明在西墙体上部局部区域发生了十分微小的鼓胀变形,推断为墙体表面灰泥固化和气温变化引起灰泥热胀冷缩变形所致;城台温度变化没有发现异常区域,表明城台在监测时间段没有渗漏情况发生。因此,判断目前东华门城台整体结构是稳定的。     

光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布或者准分布式测量、可实现远距离的监测与传输等优点,在土木工程健康监测中得到日益广泛的应用。本文在光纤布拉格光栅(FBG)传感器的传感原理、标定试验研究基础上,讨论了利用FBG传感系统监测钢架结构在冲击荷载作用下的应变和加速度的可行性;同时利用ANSYS有限元分析软件建立了适用于结构分析的有限元模型,对钢架结构进行了详细的仿真分析计算,最后对理论计算结果及实测结果进行了详细的对比分析,所取得的结果比较接近。研究表明,光纤布拉格光栅传感器可以很好的测量钢架结构的动态响应。     

基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究

围护体系的加固质量对基坑工程、基坑周边环境和地下管线的变形和稳定性具有重要影响。通过对基坑围护体系和周边环境进行实时、在线监测分析,可掌握基坑变形的发展动态,对基坑失稳破坏进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足基坑工程安全监测和基坑失稳早期预警的要求。本文对布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量原理进行了介绍,设计了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式监测系统,详细阐述了工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。以实际工程为例,对基坑工程分布式变形监测结果进行了分析。监测结果表明,基于BOTDR技术的基坑分布式光纤监测系统能够准确地反映基坑工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于基坑工程稳定性的监测和失稳预报。     

保压蜗壳外围混凝土应变及脱空分布式光纤监测

采用基于PPP-BOTDA分布式光纤应变感测技术,将特制的感测光缆安装到水轮机保压蜗壳表面及外围混凝土内,对充水试验和保压卸压过程中蜗壳结构的应变分布和变化进行监测,实测光纤应变量与计算结果接近。当充水试验加压到2.6MPa和4.1MPa时,钢蜗壳表面的环向平均实测应变分别为330με和590με。感测光缆有效监测到了蜗壳在首次加压到1MPa时的应力调整现象,以及卸压后约-20με的残余应变。试验中还观察到了卸压后外围混凝土的收缩,混凝土结构环向压应变约为70～100με,计算得到蜗壳和混凝土脱空的隙缝开度为0.5～1.4mm,监测成果可为蜗壳结构的设计优化提供参考。     

雪花形钢板桩桩身变形影响因素研究∗

雪花形钢板桩是一种新型异型桩,为研究其在荷载作用下桩身变形特征,开展了雪花形钢板桩桩身变形数值模拟与室内模型试验研究,采用有限差分软件FLAC 3D 构建雪花形钢板桩数值分析模型,并与室内模型试验结果进行对比,验证了数值模型建立的合理性;同时研究了雪花形钢板桩翼缘数量、腹板(翼缘)厚度、腹板(翼缘)长度、桩长和钢板弹性模量对桩身变形的影响。结果表明：在竖向荷载作用下,雪花形钢板桩桩身应变随着深度增加而减小;增加雪花形钢板桩翼缘数量可以减小最大受力及改善桩体受力的均匀性;在相同条件下,雪花形钢板桩桩身应变随着腹板(翼缘)厚度增大而减小,随着腹板(翼缘)长度增大而减小,随着钢板弹性模量的增大而减小;随着桩长增长,距桩顶相同位置处的桩身应变不断增大,但最大应变大小一致发生在桩顶处。