同轴电缆分布式F-P大应变传感器研制与应用研究

Structural collapse is mostly caused by the local large strain. Up to date, the traditional measurement techniques cannot match the structural safety monitoring due to the weakness of the self-deformation. High-elongation (more than 15%) coaxial cable shows similar electromagnetic mechanisms as the optical fiber. Inspired by optical fiber sensors, we try to develop a novel self-sensing component using coaxial cable, one-dimension optical crystal. Based on the optical crystal theory, Fabry-Perot (F-P) strain sensing, signal processing and demodulation methods on coaxial cable are investigated. By way of multi-layer crystal reconstruction and structural optimization, a high-quality coaxial cable distributed large strain sensor is developed, and also its sensing characteristics are tested. On this basis, the application research on the coaxial cable F-P strain sensor is carried out, including packaging technology for large strain measurement, distributed gauge-adaptive monitoring technology of structure local large deformation throughout the reconstruction of the F-P interference cavity, and series of engineering intelligent products combined by coaxial cable F-P sensors and structure components. .The project will contribute to a set of coaxial cable distributed F-P large strain sensing technique to stand harsh environment, which shows promising prospect.

局部大应变是工程结构破坏的主要原因，其传统测试方法受探头自身变形能力的制约，无法满足结构安全监测需要。高延性同轴电缆（应变可达15%）与光纤具有类似的电磁场理论机制，受光纤传感机制的启发，探索发展同轴电缆-光子晶体本征感知元件。采用一维光子晶体理论发展一套基于同轴电缆法布里-珀罗（F-P）传感机理的大应变感知、信号处理与解调方法。通过光子晶体层间重构与优化设计方法，研制开发高品质同轴电缆分布式大应变传感器，并试验探究其感知特性。在此基础上，探讨同轴电缆F-P 大应变传感器的应用研究，包括：F-P 应变传感器的大量程封装技术；采用信号处理技术匹配反射点重构F-P 腔，实现结构局部大变形的分布式标距自适应监测技术；以及将同轴电缆F-P传感器与结构部件复合形成系列工程化智能部品。.通过上述研究，本课题将发展一套同轴电缆分布式F-P大应变传感技术，以适应恶劣环境服役能力，具有重要的工程应用前景。

局部大应变是工程结构破坏的主要原因，其传统测试方法受探头自身变形能力的制约，无法满足结构安全监测需要。高延性同轴电缆（应变可达15%）与光纤具有类似的电磁场理论机制，受光纤传感机制的启发，探索发展同轴电缆法布里珀罗干涉（CC-FPI）传感元件。围绕CC-FPI传感器的分布式应变感知机理、设计制作、性能测试、相关测试技术及其对结构大应变全历程的监测开展了较系统研究，主要内容包括：.首先，通过电磁波干涉理论，研究了CC-FPI传感器的传感机理，在此基础上提出了CC-FPI传感器的分布式应变感知方法，并通过仿真分析探讨了CC-FPI的传感信号特征、空间分辨率、传感器制作参数对其信号品质与感知性能的影响。.其次，发展了三种CC-FPI传感器的制作方法，在此基础上，分别对不同方法制作的CC-FPI传感器和九种不同型号电缆制作的CC-FPI传感器进行了性能研究，对它们的应变和温度感知性能进行了测试与分析。.然后，利用CC-FPI传感器的任意两反射点可以重构出多尺度标距的突出优点，发展了基于CC-FPI传感器的结构损伤变标距测试方法，该方法根据损伤演化过程实时调整传感器的标距，始终以最适宜的尺度探测与量化损伤，达到精确刻画损伤的目的。包括提出了基于变标距应变测量的结构损伤表征方法，以及CC-FPI任意两个反射点进行标距重构的信号处理算法。通过悬臂梁损伤监测模型试验，验证了CC-FPI传感器变标距监测方法对损伤精确表征的良好效果。.最后，以三种具有大应变监测需求的工程结构为对象，从传感器选型、设计、制作及封装工艺等方面并结合结构特征探讨了工程化CC-FPI传感探头的研制方法，由此发展了CC-FPI智能钢绞线、CC-FPI钢筋混凝土梁应变传感探头以及CC-FPI跨断层管道变形传感探头等三种工程化大应变传感探头。分别将它们用于钢绞线应力应变全历程监测、钢筋混凝土梁破坏全历程监测以及跨断层埋地管道应变监测中，通过一系列模型试验验证了上述CC-FPI传感探头的适用性和有效性。