光纤光栅智能材料与结构理论和应用研究

材料与结构的智能化是21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备技术、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。