光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要材料与结构的智能化是2l世纪具有挑战性的课题。利用智能材料与结构技术解决重大工程结构在整个生命周期内的健康监测和安全评估问题，是一个世界性的研究热点，具有重大的社会意义和经济价值。“结构健康监测”是智能材料与结构发展与综合的象征，是高新技术开发与集成的标志，也是现代结构实验技术的集中体现。研究开发在长期稳定性上满足工程要求的传感元件、发展新型光纤光栅智能材料结构系统是从根本上实现结构健康监测的核心工作之一。本论文在国家自然科学基金、国家863计划和湖北省重点攻关项目的支持下，在导

2、师的悉心指导下，从基础理论、基本实验、工程应用上研究了光纤光栅智能材料与结构的理论和应用技术，从材料、构件、结构等方面探讨了用于重大工程结构的光纤光栅传感器的制各技术、光纤光栅传感网络设计技术和系统集成技术。目的是研制出光纤光栅应变、温度和压力等传感器及其所构成的健康监测系统，并实现在重大工程建设中的应用。本论文的相关研究工作历时五年，多项研究成果通过相关的成果鉴定，并已在多个重大工程项目上获得实际应用，成为国家科技进步二等奖的部分内容。本文主要内容包括；光纤光栅的智能传感机理，稳定、可靠的光纤光栅传感元件

3、和多参量光纤光栅传感器的研制，光纤光栅智能材料与结构系统及其自诊断功能实现方法的研究，以及“结构健康监测”在重大工程中的应用研究等。一、对智能材料与结构、智能材料与结构中的传感技术、光纤光栅传感技术的研究现状和发展趋势进行了回顾和展望，探讨了光纤光栅智能材料与结构的基本概念和构成方式。二、从光纤光栅光敏性的研究出发，对光纤光栅的传输理论和基本智能传感特性进行了理论推证，分析了光纤光栅的传感机理。从传感用光纤光栅的要求出发，通过对载氢、光栅结构参数、光刻条件和退火工艺对光纤光栅光谱特性影响理论和实验的研究，总

4、结出有关制备具有长期稳定性光纤光栅传感元件较理想的技术和工艺条件。三、基于智能材料与结构的相容性要求，通过对光纤光栅／传感器／待测界面应变传递特性、光纤光栅复合弹性体结构的理论研究和分析，形成基于应变传递效率的光纤光栅应变传感器的基本设计方法。总结了基于热、力耦合作用加速检验光纤光栅传感器长期稳定性的新方法。武汉理工大学搏士学位论文a)研制出具有较好工程适应性、稳定性和可靠性的应变、温度、压力等多参量的光纤光栅传感器，并实现在多个重大工程项目安全监测中的应用。b)进行了被测结构一光纤一弹性体一封装材料复合体

5、界面力学状态分析，研究了应变传递问题。通过有限元分析，提出满足混凝土结构、金属结构等材料结构测量的应变传感器的基本设计原则和方法。c)形成了一些光纤光栅传感器的制造工艺和性能标定方法。d)发现热一力耦合作用导致应变传递特性的改变是影响传感器长期稳定性的主要因素，初步提出了基于热、力耦合作用加速检验光纤光栅传感器长期稳定性的新方法。四、研究了光纤光栅智能材料与结构的设计理论和方法a)通过对光纤光栅复用传感技术的研究，设计出基于光纤光栅传感阵列的结构损伤实验系统。以BP神经网络、模型实验对四支板结构的损伤识别机

6、理进行了研究，探讨了实现光纤光栅智能材料结构自诊断功能的技术和方法。b)研究、设计了光纤光播智能材料与结构系统和重大工程结构长期健康监测和安全评估系统。c)通过大型结构试验，验证了光纤光栅应变传感器的安装和布设工艺的合理性，提出了重大工程结构健康监测系统的理想安装工艺及组织实施办法。五、在国内，将光纤光栅传感器及其结构安全监测系统率先应用在多个重大工程结构(包括混凝土挢粱、钢结构和预应力结构等)，并与传统检测技术进行了对比。应用表明，光纤光栅传感器及其监测系统能适应多种结构对象在多种工况下对复杂应力和超大应

7、变参数的测量，其稳定性与耐久性满足重大工程结构施工监测与长期健康监测的实际工程需要。基本实现了光纤光栅传感器及系统的工程化、实用化。关键词：智能材料与结构，光纤光栅传感器；重大工程结构；结构健康监测应变传递：界面力学分析；长期稳定性；系统集成ⅡAbstractTheintellectualizingofmaterialsandstructuresisthemostchallengingsubjectinthe21thcentury．Thestudyonthehealthmonitoringandsafety

8、evaluationwithinthewholelifecycleofthehugeengineeringstructureisapopularsubjectallovertheworldandhasgreatsocialsignificanceandeconomicbenefits．The”healthmonitoringofstructure”hasbecomethesymbolofthedevelopmen