光纤超声波传感器用于非接触式桥梁动挠度监测技术的研究

摘要

随着城市化进程的不断加快，桥梁作为国家大力发展的交通基础设施的关键枢纽，其结构安全问题备受关注。挠度作为最直观反映桥梁结构受力情况、评估桥梁健康状况、分析桥梁潜在问题的重要参数之一，桥梁挠度监测显得尤为重要。鉴于现有桥梁挠度监测技术的局限性以及挠度长期实时在线监测的挑战，打破现有测量技术的瓶颈，研发新型桥梁挠度监测手段，具有一定的学术意义与工程实用价值。
　　本论文首先分析了桥梁挠度监测的研究背景和意义，通过详细分析现有桥梁挠度监测技术的原理及其优缺点，总结了目前桥梁挠度监测的局限性及其面临的挑战，为本论文新型挠度监测技术的提出提供理论指导。通过系统研究超声波物理特性及其测距原理，总结了目前超声波测距技术仍然存在的问题。针对桥梁挠度监测分布式长期高精度的要求，本论文提出采用多模干涉光纤超声波传感系统用于桥梁动挠度非接触式监测，并开展了光纤传感器结构设计与优化、静态位移传感系统机理、静态位移传感系统设计与搭建、静态位移传感实验、静态位移传感系统优化、双平衡微波动态鉴相模块开发、动态位移传感系统机理、动态位移传感系统设计与搭建、动态位移传感实验、信号滤波处理和桥梁挠度模拟探测等多方面研究。本论文的主要研究内容包括:
　　1、系统分析了现有桥梁挠度监测技术原理，通过分析其适用范围及局限性，总结了目前桥梁挠度监测技术面临的挑战。
　　2、系统研究了超声波物理特性，分析了超声波测距技术原理，并总结了目前超声波测距技术仍然存在的问题。
　　3、研究了基于多模干涉效应的SMS型光纤传感器，通过对传感器膜片初始应力的有限元分析，理论分析了施加膜片初始应力对提高光纤传感器响应灵敏度的可行性。在此基础上，首次提出并设计了一种膜片应力可调节的C型传感器结构，并搭建了基于C型传感器的光纤传感系统，通过超声波探测实验，验证了通过增大膜片初始应力能够有效提高光纤传感器对25kHz超声波的响应灵敏度与响应强度。
　　4、设计搭建了基于多模干涉光纤传感器的光纤超声波静态位移传感系统，结合静态位移非接触式探测实验研究，实现了最大误差为0.1137mm的高精度非接触式位移传感，其相对误差为5.685％，验证了该系统方案能够实现对静态位移的高精度非接触式监测。研究分析对光纤传感系统通过温度补偿实现系统优化，通过对静态位移探测实验过程中的环境温度进行同步监测，利用实时温度对超声波传播速度进行修正，实现了该传感系统测量误差的进一步降低，其单次测量最大误差降低到0.0908mm，与温度未修正的结果相比，温度修正后的测量误差降低了1.145％。
　　5、开发出基于相位自参考的双平衡微波动态鉴相解调模块，通过鉴相模块实时解析传感系统中双传感器两列输出信号间实时相位差变化，实现了动态位移实时解调与探测，基于此首次提出并设计了光纤超声波动态位移传感系统。结合冲击荷载和简谐荷载作用下动态位移的非接触式探测实验，验证了该传感系统对多种振动形式中动态位移探测的可行性。其中，冲击荷载实验验证了该传感系统动态位移测量分辨率可以达到0.1mm，其测量误差最大为0.15mm;通过对不同自振频率的简谐荷载作用下动态位移传感实验研究，验证了该传感系统能够实现对多种振动频率下动态位移的高精度非接触式探测。
　　6、研究了工后桥梁挠度变化的一般规律和特性，在实验室条件下，通过模拟不同阶段桥梁挠度变形实验研究，验证了基于多模干涉效应的光纤超声波传感系统能够实现桥梁静、动挠度的非接触式监测，为实际桥梁静、动挠度监测提供了一定的理论基础和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 桥梁挠度监测技术研究现状

1．2．2 多模干涉光纤传感器的研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 现有桥梁挠度监测技术原理研究

2．1 前言

2．2 现有桥梁挠度监测技术原理研究与分析

2．2．1 人工测量法

2．2．2 自动测量法

2．3 桥梁挠度监测难点

2．4 本章小结

第三章 超声波测距技术原理研究

3．1 引言

3．2 超声波的物理特性

3．2．1 超声波的物理常量

3．2．2 超声波的传播速度

3．2．3 超声波的传播特性

3．3 超声波测距原理

3．3．1 超声波幅值检测法

3．3．2 超声波脉冲回波法

3．3．3 超声波相位检测法

3．4 超声波测距技术存在的问题

3．5 本章小结

第四章 光纤超声波静态位移传感系统设计与研究

4．1 前言

4．2 光纤超声波传感器原理分析与结构设计及优化

4．2．1 多模干涉光纤超声波传感器原理

4．2．2 多模干涉光纤传感器的设计与制作

4．2．3 光纤传感器结构性能模拟分析

4．2．4 光纤传感器结构性能优化

4．3 光纤超声波静态位移传感系统设计、实验研究及系统优化

4．3．1 光纤超声波静态位移传感系统的设计

4．3．2 光纤超声波静态位移传感实验研究

4．3．3 光纤超声波静态位移传感系统优化

4．4 本章小结

第五章 光纤超声波动态位移传感系统设计与研究

5．1 前言

5．2 动态鉴相技术原理研究

5．2．1 鉴相技术的原理研究

5．2．2 鉴相模块设计与开发

5．3 光纤超声波动态位移传感系统设计

5．4 光纤超声波动态位移传感实验研究

5．4．1 传感实验方案设计

5．4．2 冲击荷载作用下动态位移传感实验研究

5．4．3 简谐荷载作用下动态位移传感实验研究

5．5 本章小结

第六章 桥梁挠度模拟监测实验

6．1 前言

6．2 桥梁挠度模拟监测实验研究

6．2．1 桥梁挠度模拟实验方案

6．2．2 桥梁挠度模拟实验结果分析

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 结论

7．3 展望

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文

致谢