全尺度光纤布里渊分布型监测技艺及在土木工程(2)

　　2.2 布里渊散射基本理论

　　1914-1922 年，Brillouin 对具有声波密度起伏的光散射进行了计算，从理论上预言了布里渊效应。1930 年，E.Cross 在液体中首先观察了这种现象。布里渊散射过程可经典地描述为泵浦波、斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用，泵浦波通过电致伸缩效应产生声波，引起介质折射率的周期性调制，同时由于多普勒效应，散射光产生了频率下移，入射光与散射光频率差即为布里渊频移，简单的来说：元激发中的玻色(声子或磁振子)引起的非弹性光散射就是布里渊散射。布里渊散射包括自发布里渊散射和受激布里渊散射。下面综合借鉴余丽苹、刘迪、M. D.DeMerchant 等人的研究成果，详细论述布里渊散射的基本理论。

　　第3章 系列传感光纤的基本力学......................... 41-52

　　3.1 引言 ........................41

　　3.2 封装/涂覆光纤样本选择........................ 41-43

　　3.3 封装传感光纤的力学........................43-51

　　3.4 本章小结........................ 51-52

　　第4章 全尺度分布式与局部高精度共线........................ 52-100

　　4.1 引言 ........................52

　　4.2 BOTDA/R-FBG共线智能传感网络系统........................ 52-54

　　4.3 光纤光栅和布里渊测量信号的相互影响 ........................54-63

　　4.4 小波滤噪在布里渊传感技术中的应用 ........................63-82

　　4.4.1 小波分析及滤噪原理........................ 64-68

　　4.4.2 小波滤噪在布里渊信号中的应用........................ 68-82

　　4.6 长周期光纤光栅腐蚀监测试验........................ 88-97

　　4.7 本章小结........................ 97-100

　　第5章 全尺度自监测光纤智能结构部品........................ 100-124

　　5.1 引言 ........................100

　　5.2 FRP-OF/FBG全尺度自监测智能筋 ........................100-101

　　5.3 FRP-OF/FBG筋界面电镜扫描 ........................101-102

　　5.4 系列BOTDA/R-FRP-OF传感探头的研制........................ 102-105

　　5.5 光纤布里渊智能钢绞线........................ 105-115

　　5.6 光纤布里渊智能钢拉索........................ 115-122

　　5.7 本章小结........................ 122-124

　　结论

　　本文针对重大土木工程结构健康监测对高性能全尺度测试手段的客观需求，围绕光纤布里渊的感知特性及其温度补偿方法、高性能封装光纤探头、融合全尺度光纤布里渊和局部高精度光纤光栅的共线传感网络、基于光纤与 FRP复合的全分布式智能结构部品以及基于全尺度分布式监测手段的结构损伤探测等问题展开了较系统研究。主要工作和成果如下：

　　1)分析了光纤布里渊温度和应变传感的耦合效应，提出了布里渊应变感知的绝对温度补偿方法。结果表明：普通通信光纤具有良好的布里渊应变和温度感知特性，其应变感知的绝对温度补偿方法效果良好，补偿后的应变绝对误差在(-23με，+23με)，误差分布曲线为高斯分布型。

　　2)归纳和总结了目前可能用于布里渊传感的系列封装传感光纤的剪切力学性能、轴向拉伸极限应变、环境适应性及其相应的感知特性。结果表明：各种光纤的布里渊应变灵敏度系数基本一致，均为 0.05MHz/με左右;Polymide涂覆光纤和碳光纤的力学性能、耐高温和腐蚀能力优于普通康宁光纤;FRP 封装光纤的抗剪和抗拉能力最强，且具有良好的耐腐蚀、抗疲劳等特性。

　　3)提出融合全尺度光纤布里渊测试技术和局部高精度光纤布拉格光栅传感技术的共线集成传感网络系统，分析了光纤光栅对光纤布里渊传感信号的影响;为了提高光纤布里渊测试结果的精度，发展了实测布里渊信号二次信号处理的小波分析和洛伦兹数据拟合方法。结果表明，光纤布里渊和光纤光栅可以方便共线复合，而光纤布里渊信号对光纤光栅没有影响。但是，当光栅中心波长接近布里渊泵浦光工作波长时，其对布里渊测试信号影响很大。

　　4)研究了布里渊信号噪声处理的小波和增益谱曲线局部洛伦兹单峰拟合方法。结果表明：基于 dbN 和 SymN 小波可以有效滤掉实测布里渊信号中的噪声，误差在 6%以内;光纤光栅位置处的布里渊增益谱曲线经局部洛伦兹单峰拟合得到的温度值和由 BOTDA 测试仪表直接测量的温度，最大相对误差分别为 2.6%和 7.5%。

　　5)探讨了光纤布里渊与长周期光栅复合，开发分布式腐蚀传感器的可行性。结果表明：光纤布里渊与长周期光栅可以共线复合，但是损耗较大;谐振波长对 NaCl 和 CaCl2溶液浓度的变化十分敏感，具有良好的谐振波长/浓度测试线性度，基于环氧铁砂封装的长周期光栅是一种可能的腐蚀监测传感器。

　　1 欧进萍. 重大工程结构的累积损伤与安全度评定. 走向 21 世纪的中国力学——中国科协第 9 次“青年科学家论坛”报告文集. 北京: 清华大学出版社,1996: 179~189

　　2 张启伟. 桥梁结构模型修正与损伤识别. 同济大学博士论文. 1999:9~15

　　3 周 智. 土木工程结构光纤光栅智能传感元件及其监测系统.哈尔滨工业大学博士论文. 2003：8~20

　　4 欧进萍, 肖仪清, 黄虎杰等. 海洋平台结构实时安全监测系统. 海洋工程,2001，19(2):1~6

　　5 欧进萍, 周 智等. 黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术. 土木工程学报, 2004, 37(1):45~49

　　6 周 智, 欧进萍. 光纤光栅传感器及其在大型结构工程健康监测领域的应用.首届“光纤传感器发展与国际论坛”论文集,中国平湖. 2005, 3~25

　　7 周 智 , 田石柱 , 欧进萍 . 光纤传感器在土木工程中的应用 . 建筑结构 .2002,32(5):65~68

　　8 陶宝祺. 智能材料结构. 北京: 国防工业出版社, 1997:124~181

　　9 黄尚廉 . 智能结构-工程学科萌生的一场革命 . 压电与声光 . 1993,15(1):13~15