光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)理論和應(yīng)用研究

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1、武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要材料與結(jié)構(gòu)的智能化是2l世紀具有挑戰(zhàn)性的課題。利用智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)解決重大工程結(jié)構(gòu)在整個生命周期內(nèi)的健康監(jiān)測和安全評估問題，是一個世界性的研究熱點，具有重大的社會意義和經(jīng)濟價值?！敖Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”是智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展與綜合的象征，是高新技術(shù)開發(fā)與集成的標志，也是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)的集中體現(xiàn)。研究開發(fā)在長期穩(wěn)定性上滿足工程要求的傳感元件、發(fā)展新型光纖光柵智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是從根本上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心工作之一。本論文在國家自然科學(xué)基金、國家863計劃和湖北省重點攻關(guān)項目的支持下，在導(dǎo)

2、師的悉心指導(dǎo)下，從基礎(chǔ)理論、基本實驗、工程應(yīng)用上研究了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的理論和應(yīng)用技術(shù)，從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等方面探討了用于重大工程結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器的制各技術(shù)、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。目的是研制出光纖光柵應(yīng)變、溫度和壓力等傳感器及其所構(gòu)成的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)在重大工程建設(shè)中的應(yīng)用。本論文的相關(guān)研究工作歷時五年，多項研究成果通過相關(guān)的成果鑒定，并已在多個重大工程項目上獲得實際應(yīng)用，成為國家科技進步二等獎的部分內(nèi)容。本文主要內(nèi)容包括；光纖光柵的智能傳感機理，穩(wěn)定、可靠的光纖光柵傳感元件

3、和多參量光纖光柵傳感器的研制，光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其自診斷功能實現(xiàn)方法的研究，以及“結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”在重大工程中的應(yīng)用研究等。一、對智能材料與結(jié)構(gòu)、智能材料與結(jié)構(gòu)中的傳感技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了回顧和展望，探討了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的基本概念和構(gòu)成方式。二、從光纖光柵光敏性的研究出發(fā)，對光纖光柵的傳輸理論和基本智能傳感特性進行了理論推證，分析了光纖光柵的傳感機理。從傳感用光纖光柵的要求出發(fā)，通過對載氫、光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)、光刻條件和退火工藝對光纖光柵光譜特性影響理論和實驗的研究，總

4、結(jié)出有關(guān)制備具有長期穩(wěn)定性光纖光柵傳感元件較理想的技術(shù)和工藝條件。三、基于智能材料與結(jié)構(gòu)的相容性要求，通過對光纖光柵／傳感器／待測界面應(yīng)變傳遞特性、光纖光柵復(fù)合彈性體結(jié)構(gòu)的理論研究和分析，形成基于應(yīng)變傳遞效率的光纖光柵應(yīng)變傳感器的基本設(shè)計方法。總結(jié)了基于熱、力耦合作用加速檢驗光纖光柵傳感器長期穩(wěn)定性的新方法。武漢理工大學(xué)搏士學(xué)位論文a)研制出具有較好工程適應(yīng)性、穩(wěn)定性和可靠性的應(yīng)變、溫度、壓力等多參量的光纖光柵傳感器，并實現(xiàn)在多個重大工程項目安全監(jiān)測中的應(yīng)用。b)進行了被測結(jié)構(gòu)一光纖一彈性體一封裝材料復(fù)合體

5、界面力學(xué)狀態(tài)分析，研究了應(yīng)變傳遞問題。通過有限元分析，提出滿足混凝土結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)等材料結(jié)構(gòu)測量的應(yīng)變傳感器的基本設(shè)計原則和方法。c)形成了一些光纖光柵傳感器的制造工藝和性能標定方法。d)發(fā)現(xiàn)熱一力耦合作用導(dǎo)致應(yīng)變傳遞特性的改變是影響傳感器長期穩(wěn)定性的主要因素，初步提出了基于熱、力耦合作用加速檢驗光纖光柵傳感器長期穩(wěn)定性的新方法。四、研究了光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法a)通過對光纖光柵復(fù)用傳感技術(shù)的研究，設(shè)計出基于光纖光柵傳感陣列的結(jié)構(gòu)損傷實驗系統(tǒng)。以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型實驗對四支板結(jié)構(gòu)的損傷識別機

6、理進行了研究，探討了實現(xiàn)光纖光柵智能材料結(jié)構(gòu)自診斷功能的技術(shù)和方法。b)研究、設(shè)計了光纖光播智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和重大工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測和安全評估系統(tǒng)。c)通過大型結(jié)構(gòu)試驗，驗證了光纖光柵應(yīng)變傳感器的安裝和布設(shè)工藝的合理性，提出了重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的理想安裝工藝及組織實施辦法。五、在國內(nèi)，將光纖光柵傳感器及其結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)率先應(yīng)用在多個重大工程結(jié)構(gòu)(包括混凝土撟粱、鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等)，并與傳統(tǒng)檢測技術(shù)進行了對比。應(yīng)用表明，光纖光柵傳感器及其監(jiān)測系統(tǒng)能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)對象在多種工況下對復(fù)雜應(yīng)力和超大應(yīng)

7、變參數(shù)的測量，其穩(wěn)定性與耐久性滿足重大工程結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測與長期健康監(jiān)測的實際工程需要?；緦崿F(xiàn)了光纖光柵傳感器及系統(tǒng)的工程化、實用化。關(guān)鍵詞：智能材料與結(jié)構(gòu)，光纖光柵傳感器；重大工程結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)變傳遞：界面力學(xué)分析；長期穩(wěn)定性；系統(tǒng)集成ⅡAbstractTheintellectualizingofmaterialsandstructuresisthemostchallengingsubjectinthe21thcentury．Thestudyonthehealthmonitoringandsafety

8、evaluationwithinthewholelifecycleofthehugeengineeringstructureisapopularsubjectallovertheworldandhasgreatsocialsignificanceandeconomicbenefits．The”healthmonitoringofstructure”hasbecomethesymbolofthedevelopmen