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光纤光栅传感技术近年来越来越多地被应用于土木工程领域,并逐渐显现出了其优势,但对结构振动的测试,尚缺少较为成熟可靠的光纤光栅加速度传感器。本文研究开发了一种新型的光纤光栅加速度传感器用于大型土木结构的低频振动监测。该传感器具有高灵敏度和温度自补偿的特性,能够满足结构测试中低频、微幅振动,并克服了温度的影响。
结合理论分析和实验研究,本文主要完成了以下几方面的研究工作:
一,第一代传感器实际测试评价。将第一代光纤光栅加速度传感器应用在京秦高速公路管养系统以及苏通大桥拉索阻尼器效能测试当中,得到了有价值的实桥实索振动信号,并作为传感器进一步改进和完善的依据。
二,新型第二代光纤光栅加速度传感器的设计与优化。设计了新型第二代光纤光栅加速度传感器的内部结构方案,该方案能够实现高灵敏度与温度自补偿。优化了传感器结构参数,说明了双光栅式温度自补偿原理,建立了该传感器的有限元模型,并模拟了传感器的幅频、相频、灵敏度、线性度等特性。验算了传感器变形和所受应力情况。依据模型参数选取了合适的弹簧片厚度。
三,新型传感器性能实验。完成了新型光纤光栅加速度传感器的关键性能测试。首先进行了幅频特性实验和灵敏度实验,根据二者结果选定了最优阻尼液粘度,并确定了传感器的工作频率范围,得到了灵敏度系数值。接着,进行了传感器的水平测振性能实验和相频特性实验。最后,在温控室内进行了温度补偿效应实验。检验了传感器的温度自补偿效果,同时得到了光栅波长漂移量与室温变化的关系,以及双光栅结构对传感器灵敏度的增益。
四,新型传感器实桥测试。将新型光纤光栅加速度传感器投入到了杨浦大桥实桥测试当中。测试使用环境随机振动法,成功获取了大桥的频率、振型等模态参数。测试结果表明传感器的低频特性优秀,在实际大型结构中的应用能力值得信赖。