[01166690]基于分布式光纤传感技术的青藏高原水电工程健康监测系统研究

青藏高原地环境恶劣（冻融、腐蚀和低温等）对光纤传感监测的要求很高,如腐蚀监测、光纤的大量程化以及分布监测等。基于PPP-BOTDA 分布式光纤传感技术在高原上应用目前还没有。本研究针对高原、恶劣环境进行光纤监测研究,具体内容如下： 1.基于PPP-BOTDA 分布式光纤传感器的封装。课题组提出了两种封装方法,一种为全粘结封装,另一种为定点粘结封装。该传感器在不改变现有仪器（如NBX-6000 型仪器）测量精度的基础上,通过合理的结构设计提升了应变数据的精度,并可以通过变更结构设计来满足不同结构的测量精度要求。 2.基于PPP-BOTDA 分布式光纤传感器的增敏。课题组通过改变传感器标距内部各段截面刚度,在保证传感器两端位移不变的前提下将分布在全标距范围上的微小应变集中到栅区附近,形成较明显的大应变,从而增大FBG 的测量灵敏度。试验验证,增敏光纤测量标准差基本都在20με以下,测量误差大致降低了50％,完全证明了增敏的有效性。 3.基于PPP-BOTDA 分布式光纤传感器的温度补偿。课题组首先在实验室测量各种光纤传感器的温度系数,在应用中则只需测量环境温度变化便可实现各种传感器的温度补偿。课题组是通过有限元验证进行检验的,结果的计算结果与真实应变完全相同,说明公式适用于不同封装材料和不同增敏系数的增敏光纤温度补偿计算。 4.课题组借鉴纤维材料蠕变性能的研究方法研究了分布式光纤传感器的蠕变规律。试验结果显示：UV 树脂涂覆光纤的长期蠕变量约为初始应变的5%,稳定时间为48h,两项均为单模紧套光纤的20～30%,且前者的数据精度要高于后者,故经过适当预处理或数据修正后,其在长期监测中的数据具有较高的可靠性。同时,也验证了光纤光栅传感器在冻融环境下的可靠性与稳定性。 5.封装光纤的抗滑移性能研究。实验结果表明当裸光纤和封装光纤的粘接长度大于13cm 时即可获得正确的测试值,而现有商品光纤由于内部滑移的影响都需要15cm 以上的粘接长度才能测得正确的应变值。由此可看出,由玄武岩纤维封装的光纤的抗滑移性能得到了很大的提高。 6.全粘接封装光纤的线膨胀系数。试验结果表明封装后传感器线膨胀系数约为8×10-6,接近混凝土的线膨胀系数（7～10×10-6）,因此采用玄武岩纤维封装后的传感器监测混凝土结构时,温度变化导致的传感器与混凝土结构的应变差较小,所测得的应变更能反映混凝土结构的机械应变。 7.全粘接封装光纤的蠕变特性。通过和现有商用光纤进行比较可知,经过封装后的光纤应变传感器长期稳定性非常好,更适合于对结构进行长期监测。 8.新型应变增敏光纤传感器的温度稳定性研究。增敏光纤监测应变变化趋势与变温曲线相关性较强。各增敏光纤监测应变围绕FBG 测量结果上下波动,二者较为接近且偏差较小。这说明计算式可以用于增敏光纤的温度补偿。但该试验中增敏光纤监测数据与恒温单向拉伸试验相比,数据偏离真值幅度。 9.课题组开发了一种新型自监测BFRP智能筋。一方面利用FRP 材料的保护,大大提高了光纤的存活率;另一方面,利用光纤的高精度测试,保证了FRP 材料的安全应用,在实现结构分布式测量的同时还可兼作结构受力构件。通过研究,其基本力学性能稳定。 10.分布式光纤传感技术在结构监测中的应用研究。课题组开发了光纤的定点粘贴布设方式（PFB： Point Fixation Bonding）和全面粘贴布设方式（OB： Overall Bonding）,并在青海黑泉水库大坝面板上采用全面粘贴布设方式,对面板在各种水位下大坝面板的受力和冻融破坏情况进行了监测。