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第一篇 光纤传感与监测技术3

第1章 光纤传感与智能结构3

1.1光纤与光纤传感器3

1.1.1光纤3

1.1.2光纤传感器4

1.2光纤光栅传感器的应用现状与发展方向6

1.2.1光纤光栅传感器的应用现状6

1.2.2光纤光栅传感器的发展方向7

1.3基于光纤传感器的健康监测与智能结构8

1.3.1光纤智能健康监测系统9

1.3.2光纤智能结构9

第2章 白光干涉型F-P光纤传感器11

2.1白光干涉型F-P光纤传感器的工作原理11

2.2白光干涉型F-P光纤传感器的结构设计及参数分析13

2.2.1腔长分析14

2.2.2标距分析15

2.3白光干涉型F-P光纤传感器的制作工艺16

2.3.1材料的选择16

2.3.2加工制作装置的设计与选择17

2.3.3 F-P光纤传感器的制作工艺19

2.4白光干涉型F-P光纤传感器的性能试验20

2.4.1光纤传感器的应变试验20

2.4.2传感器的温度试验23

2.4.3白光干涉型光纤应变传感器的标定试验24

2.4.4白光干涉型光纤温度传感器的性能考核试验25

2.4.5白光干涉型光纤应变传感器的性能考核试验27

2.5白光干涉型光纤传感器信号采集系统29

2.5.1白光干涉型光纤传感器信号采集系统的硬件设计29

2.5.2白光干涉型光纤传感器信号采集系统的软件设计32

第3章 具有温度自补偿的光纤光栅传感器38

3.1光纤光栅传感器的传感原理及其理论分析38

3.1.1光纤光栅的耦合模理论38

3.1.2光纤光栅应变传感原理及应变灵敏度的理论分析41

3.1.3光纤光栅温度传感原理及温度灵敏度的理论分析41

3.1.4光纤光栅温度-应变交叉灵敏度的理论分析42

3.2基于材料热应力的光纤光栅温度自补偿传感器43

3.2.1基于材料热应力的光纤光栅温度自补偿机制43

3.2.2传感器结构尺寸设计44

3.2.3传感器的应变传感分析47

3.2.4温度补偿结构设计参数的研究48

3.3整体式温度补偿结构的光纤光栅应变传感器52

3.3.1传感器的结构设计52

3.3.2传感器的封装制作55

3.3.3基于硬铝合金材料为外壳的光纤传感器的试验结果55

3.3.4基于黄铜材料为外壳的传感器的试验结果58

3.3.5对温度补偿结构设计公式的二次修正60

3.4光纤光栅应变传感器的结构设计及分析61

3.4.1埋入式光纤光栅应变传感器的结构设计及分析61

3.4.2表面粘贴式光纤应变传感器的结构设计及分析63

3.5小型光纤光栅应变传感器的研究65

3.5.1小型光纤光栅应变传感器的结构设计65

3.5.2小型光纤光栅应变传感器封装材料热膨胀系数的测定67

3.5.3小型光纤光栅应变传感器封装工艺的研究67

3.5.4小型光纤光栅应变传感器的性能试验研究68

第4章 基于光纤光栅传感阵列的预应力筋应力测试技术70

4.1混凝土结构预应力损失理论分析70

4.1.1预应力损失计算70

4.1.2有效预应力计算76

4.2光纤光栅锚端预应力传感器的设计76

4.2.1预应力混凝土结构预应力锚端监测原理77

4.2.2基于光纤光栅锚端预应力传感器的结构设计与原理78

4.2.3光纤光栅锚端预应力传感器的设计79

4.2.4光纤光栅锚端预应力传感器标定实验80

4.3基于光纤光栅传感阵列的预应力筋应力测试方法的研究81

4.3.1钢绞线的结构和性能参数81

4.3.2光纤光栅与钢绞线的复合及钢绞线应力测量原理82

4.3.3基于光纤光栅的预应力钢绞线准分布应力应变测试83

第5章 基于光纤光栅传感的缆索应力测试技术87

5.1缆索监测技术现状分析87

5.2基于光纤光栅的缆索张力监测系统88

5.2.1缆索张力监测系统的组成及工作原理88

5.2.2缆索张力监测系统的特点88

5.2.3基于光纤光栅的压力传感器研究89

5.2.4硬件设计91

5.2.5软件设计92

5.3基于光纤光栅的缆索分布应力监测系统93

5.3.1缆索分布应力监测系统的组成及工作原理93

5.3.2缆索张力监测系统的特点94

5.3.3信号采集分析处理的系统设计94

5.3.4缆索结构远程监测功能的实现94

5.4缆索结构的状态监测试验95

5.4.1缆索模型及试验系统95

5.4.2缆索张力测量试验96

5.4.3缆索应力分布测量试验96

5.4.4缆索模态参数测量试验97

第6章 缠绕式光纤应变传感技术99

6.1理论基础与分析99

6.1.1背向散射测试原理99

6.1.2光纤弯曲损耗理论100

6.1.3缠绕段光纤的光损耗101

6.2缠绕式光纤应变传感器的设计及主参数选择103

6.2.1传感光纤的影响104

6.2.2传感器结构参数的选取105

6.2.3传感器分布参数的确定105

6.3缠绕式光纤应变传感器的测试系统106

6.3.1敏感段损耗的五点法测量原理107

6.3.2噪声分析与信息处理108

6.4缠绕式光纤应变传感器特性试验及分析111

6.4.1试验系统的构成111

6.4.2准分布试验加载装置的设计111

6.4.3缠绕式光纤应变传感器特性试验及分析112

6.5缠绕式光纤应变传感器分布测试特性114

第7章 基于光纤光栅传感的纤维增强复合材料构件监测技术116

7.1纤维复合材料的制备与性能研究116

7.1.1组分材料的选择与配比116

7.1.2碳纤维复合材料制备工艺118

7.1.3纤维复合材料筋的性能测试及分析118

7.1.4纤维复合材料筋的锚固实验123

7.2基于光纤传感的纤维复合材料杆件的传感特性125

7.2.1杆件的制备工艺125

7.2.2光纤光栅与复合材料的界面黏结分析126

7.2.3杆件的传感特性测试与分析128

第8章 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术130

8.1分布式光纤传感的测试原理130

8.1.1布里渊散射原理130

8.1.2布里渊散射与温度和应变的关系132

8.2布里渊散射的检测方法133

8.2.1直接检测法133

8.2.2外差检测法134

8.2.3相干外差检测法134

8.3基于布里渊散射的光纤传感技术研究进展135

8.4基于分布式布里渊传感的铁路轨道裂纹检测137

参考文献（第一篇）141

第二篇 压电传感与监测技术149

第9章 压电材料与压电智能结构149

9.1压电效应与原理149

9.2压电陶瓷的智能特性及应用150

9.2.1压电陶瓷的原理150

9.2.2压电陶瓷的结构与性能151

9.2.3压电陶瓷的应用151

9.3 PVDF压电薄膜的智能特性及应用152

9.3.1 PVDF压电特性153

9.3.2 PVDF压电薄膜的应用154

9.4基于压电传感与控制的智能结构156

9.4.1振动控制156

9.4.2噪声主动控制157

9.4.3结构静变形控制157

9.4.4结构损伤监测157

第10章 动态应变压电传感特性的研究159

10.1压电元件对动态应变的传感原理159

10.2压电元件测量电路分析161

10.2.1电压放大电路161

10.2.2电荷放大电路162

10.3动态应变压电传感理论计算式的建立163

10.4影响压电传感器性能的主要因素164

10.5基于压电传感的动态应变监测系统的建立165

10.5.1动态应变监测系统总体设计165

10.5.2数据采集与数据处理165

10.5.3信号处理与分析系统167

第11章 压电应变传感特性的实验研究168

11.1压电静态应变传感实验168

11.1.1实验方法168

11.1.2实验结果169

11.1.3静态实验结果分析170

11.2压电动态应变传感特性研究170

11.2.1实验方法170

11.2.2实验结果170

11.2.3动态实验结果分析171

11.3压电应变传感频响特性分析172

第12章 基于压电应变传感技术的桥梁振动监测175

12.1桥梁结构的振动分析175

12.1.1桥梁的横向振动175

12.1.2各种不同支撑的梁横向振动的固有频率和主振型177

12.1.3梁的各阶横向主振动的动态应变分析179

12.2压电元件粘贴位置的选择181

12.3桥梁模拟系统181

12.4桥梁振动监测系统182

12.4.1压电传感器的布设182

12.4.2系统工作流程183

12.4.3仿真结果183

第13章 基于压电传感的铁路轮轨力实时监测185

13.1钢轨受力的有限元分析和传感器的布设原则185

13.1.1有碴轨道结构有限元模型185

13.1.2无碴轨道结构有限元模型188

13.1.3压电传感器的布设原则190

13.2基于PVDF压电传感技术的轮轨力测试方法190

13.2.1轮轨之间的作用力190

13.2.2轮轨垂向力测试原理192

13.2.3轮轨水平力测试原理193

13.2.4基于压电传感技术的轮轨力测试公式的推导194

13.2.5 PVDF压电传感器粘贴偏转角对输出结果的影响196

13.3 PVDF压电传感动态特性的实验研究198

13.3.1动态响应特性198

13.3.2频率稳定性199

13.3.3抗电磁干扰特性200

13.3.4零漂特性200

13.4基于压力传感轮轨力的有限元仿真计算201

13.4.1轮轨垂向力测试有限元验证201

13.4.2轮轨横向力测试有限元验证203

13.4.3轨道结构谐响应分析205

13.5基于压电传感的铁路轮轨力实时监测系统的设计205

13.5.1铁路轮轨力实时监测系统的总体设计205

13.5.2应用软件设计209

13.5.3基于Matlab Web Server远程控制模块的设计与实现212

13.5.4 Matlab Web Server的组成与工作流程213

13.5.5基于Matlab Web Server的远程监测模块的实现213

参考文献（第二篇）216

第三篇 形状记忆合金与智能结构221

第14章 形状记忆合金简介221

14.1形状记忆效应221

14.2形状记忆合金的工作原理222

14.3形状记忆合金的类型与应用222

14.3.1 Fe基形状记忆合金223

14.3.2 Ni-Ti形状记忆合金224

14.3.3 Cu基形状记忆合金224

第15章 自动探测与主动控制裂纹扩展的智能材料结构227

15.1 Ni-Ti形状记忆合金丝特征参数的测试与表征227

15.1.1相变与应力、温度的测试和表征方法227

15.1.2应力-应变与温度相互关系的测试和表征231

15.1.3回复力-温度-应变的测试分析和表征232

15.1.4弹性模量随温度变化的关系235

15.2 Ni-Ti形状记忆合金薄带材料特征参数的测试与表征235

15.2.1 Ni-Ti合金薄带相变点的测试236

15.2.2应力-应变的测试236

15.2.3材料的拟弹性性能测试236

15.2.4材料回复力-温度-变形相互关系的测试237

15.3智能复合构件的复合技术238

15.3.1智能复合构件的特点238

15.3.2智能复合构件的构成及其分类239

15.3.3构件复合中的几个特殊问题240

15.3.4构件界面间的结合强度241

15.4智能复合构件的设计分析243

15.4.1裂纹探测方法243

15.4.2构件强度计算的依据244

15.4.3裂纹尖端参量的计算244

15.4.4 Ni-Ti合金丝智能复合构件的计算245

15.4.5 Ni-Ti合金薄板贴面智能复合构件的计算247

15.4.6 Ni-Ti合金带智能复合构件的计算250

15.5智能复合构件的试验研究253

15.5.1裂纹的探测试验研究253

15.5.2主动控制裂纹扩展的静态试验研究254

15.5.3主动探测和控制裂纹扩展的疲劳试验研究256

第16章 自动均载、防松、防断的智能结构261

16.1研究背景261

16.1.1螺纹连接松动的原因261

16.1.2螺纹连接常用的防松方法262

16.1.3几种新的螺纹连接防松方法263

16.2 Fe基形状记忆合金防松防断螺母的研究264

16.2.1 Fe基形状记忆合金防松螺母的基本设计思想265

16.2.2 Fe基形状记忆合金成分对性能的影响266

16.2.3热处理工艺和预变形对形状记忆效应的影响268

16.2.4螺母的结构及加工工艺设计273

16.2.5 Fe基形状记忆合金防松螺母性能试验研究275

16.3螺栓组自动均载防断280

16.3.1基本设计思想280

16.3.2具有压缩拟弹性的Ni-Ti合金智能材料的研制及性能测试285

16.3.3自动均载传力垫及其性能测试试验289

16.3.4自动均载传力垫的模拟试验291

16.4自动均载防断传力垫的工程应用实例294

16.4.1在内燃机车缸盖螺栓上的应用294

16.4.2在秦岭隧道全断面掘进机上的应用297

第17章 基于形状记忆合金的自适应无缝线路299

17.1无缝线路299

17.1.1无缝线路的概念及特点299

17.1.2无缝线路类型300

17.1.3无缝线路的研究现状301

17.2传统无缝线路的稳定性及强度分析302

17.2.1无缝线路及其胀轨跑道302

17.2.2无缝线路的强度计算304

17.2.3无缝线路的稳定性分析308

17.3自适应无缝线路的设计思想313

17.3.1自适应无缝线路的设计思想313

17.3.2简化结构模型的建立314

17.3.3优化模型的求解与结果316

17.3.4优化设计数学模型的建立317

17.3.5优化设计数学模型的求解与分析318

17.4适用于自适应无缝线路的形状记忆合金设计320

17.4.1形状记忆合金在自适应无缝线路中的应用设想320

17.4.2形状记忆合金的功能设计320

17.4.3形状记忆合金的性能设计324

17.4.4形状记忆合金的焊接性与耐磨性研究326

17.5自适应无缝线路的强度及稳定性计算331

17.5.1自适应无缝线路的强度计算331

17.5.2自适应无缝线路的稳定性计算333

17.6自适应无缝线路的研究趋势335

参考文献（第三篇）336

第四篇 工程应用实例343

第18章 芜湖长江大桥长期健康监测与报警系统343

18.1工程概况343

18.2长期健康监测系统的结构体系与总体目标344

18.3主要监测内容与监测系统的特点345

18.4传感器及其通信网络的优化布设345

18.5控制数据采集的触发方式与监测系统设计的总体要求346

18.6监测数据采集系统及数据库查询与管理系统软件设计347

18.7安全报警系统的功能348

18.8应用效果349

第19章 郑州黄河大桥远程振动监测系统350

19.1项目背景350

19.2建立振动远程监测系统的目标和要求351

19.3监测内容和系统构成352

19.4数据采集网络与数据处理方案设计352

19.5监测数据采集及数据库软件设计354

19.6监测数据结果355

19.7应用效果355

第20章 秦沈客运专线辽河大桥监测系统356

20.1辽河大桥概况356

20.2光纤传感器在混凝土结构水化热测试中的应用357

20.3基于光纤传感的混凝土桥梁施工质量监测的应用358

20.4箱梁的动态测试与分析359

致谢362