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裂纹检测光纤传感器.doc
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光纤传感器讨论课
题目:裂纹检测光纤传感器
学号:1*********
:亚博
裂纹检测光纤传感器
关键字:光纤光栅、裂纹检测、损伤检测、构造安康
摘要:如今,光纤传感器在各行各业的应用非常广泛。用于裂缝检测的光纤
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传感器主要有光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。裂纹检测更广义的说是构
造安康检测、损伤检测。裂纹检测光纤传感器主要用于钢筋混凝土构造的稳定
性,在桥梁、建筑物、隧道、公路等的构造安康及稳定性方面有广泛的应用,
也可用于检测沥青路面的裂缝检测。在航空航天工业中,光纤光纤传感器有着
重要应用,在先进复合材料制造的航空航天器中,很容易埋入光纤传感器,实
现飞行器运行过程中的性能检测。在石油采矿设施的检测方面也有应用。总的
来说,分布式光纤传感器在裂纹检测中可以实现全方位、时空性、持久性的检
测,具有很大的应用前景,但是目前仍处于研究探索阶段,还有很多问题没有
解决。
一.光纤传感器及根本理论
1.光纤传感器用于裂纹检测的开展简史:1989 年,美国布朗大学的
Mendez 等人提出了把光纤传感器用于混凝土构造的检测。之后,很多国家的
大量研究人员对光纤传感器在土木工程中的应用做了大量研究工作。传感器可
外加于构造外表或嵌入混凝土构造中,从而实现对构造的实时检测。1993 年,
加拿大 Calgary 附近的 Bdddington Trail 大桥是世界上最早使用光纤传感器
进展测量的桥梁之一,使用了贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合
材料筋上的 16 个光纤光栅传感器,对桥梁构造进展长期监测。我国于 2004
年 2 月建成了省第一座光纤传感器监测隧道。
2.光纤传感器的优点:
(1)光纤传感器以二氧化硅作为纤芯材料,光信号作为载体,具有抗电磁干
扰、防雷击、防水及耐高温等特点,相比金属传感器具有更好的耐久性;
(2)光纤传感器体积小、重量较轻、便于铺设;
(3)由于光纤传感器集传感与传输于一体,还可对大型建筑物实施长距离、
全方位检测;
(4)分布式光纤传感器除具有上述优点外,还可以准确测出光纤沿线个点的
应变、温度、损伤等信息。
3.传统的裂缝检测技术:目测法、裂缝测宽仪检测、超声波检测、声发射
检测、摄影检测法、利用卡尔逊式或弦式测缝计检测等。
目测法是检测者用双眼观察被测物体是否存在裂缝,这种方法耗时长,工作量
大,受人为因素影响大,且当被测物体出入危险环境中时,无法使用目测法。
裂缝检测仪检测是巡视人员手持检测仪对物体进展测量,这种方法能到达较高
精度,但需要知道裂缝位置。超声波法是目前应用最为广泛的无损检测技术,
但由于超声波检测需要布设测点,测点不能全面覆盖被测构造,所以很容易发
生漏检现象。声发射方法是通过分析被测物体中声发射仪所获得的各种参数来
判断材料部的损伤构造,这种方法对正在发生的裂缝进展定位、测宽,但不能
随已发生的裂缝进展检测。摄影检测法是通过照相机、红外摄像及放射线等对
被测构造外表裂缝状况进展检测。传感仪器检测是利用埋在混凝土部的仪器来
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检测裂缝,主要采用卡尔逊式、弦式侧缝仪,这种方法可对混凝土变形及裂缝
进展长期检测,但属于点式检测,容易发生漏测。
缺点:属于点式测量或人工测量,不能全面反响构造物的裂缝信息,容易发生
漏测;需要人工现场实测,耗时耗力,无法实现实时在线分布式测量。优点:
测量结果能够到达较好的精度。
4.分布式裂缝检测技术原理:目前针对裂缝检测的分布式传感技术主要分
为基于 Bragg 光纤的分布式传感技术、基于 OTDR〔光时域反射技术〕的分布
式传感技术和基于 PPP-BOTDA〔布里渊光时域分析〕的分布式传感技术。这
些技术已经得到了广泛的关注和研究,但仍处于试验阶段还不成熟。
〔1〕基于 Bragg 光纤的
分布式传感技术:通过波
分、时分复用技术,将一
条光纤的多个不同波长的
传感器的信号传输至解调
机制。当一束中心波长为 λb 的光谱光,被光栅反射回一单色光,相当于一个宽
带的反 射镜。反 射光中心 波长由
下时确定:
---------Bragg 波长
--------纤芯的有效折射率
--------光栅间隔或调制周期
环境温度、应力的变化会引起光纤光栅的周期和纤芯折射率,通过测量物理量
变化前后反射光波长的变化,就可以获得相应的温度和应变信息。光纤光栅可
以在一根光纤中写入多个光栅,从而实现分布式传感,并且光纤光栅传感器的
信息载体是波长,因此,不受光源光强振动、光纤连接及耦合损耗以及光偏振
态等因素的影响,抗干扰能力强。
(2)基 于 OTDR 的 分 布 式 传 感 技
术:利 用 OTDA 探测沿 光纤长度 上
的光损 耗变化来 获取裂缝 的空间位
置变化。
如右图 为原理图 。将光纤 设于混凝
土构造上,当混凝土未发生裂缝时 ,
光纤衰 减曲线沿 长度方向 为线性变
化。混凝土发生裂缝后,裂缝处光
纤会发生局部弯曲,引起局部损耗
增大,局部损耗造成光纤衰减曲线
发生突降,裂缝宽度可由损耗大小
来确实,裂缝位置可由雷达原理加
以定位。
〔3〕基于 PPP-BOTDA 的分布式传
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pyhm63
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