世界上40％以上的水库大坝的溃坝事故是由库水渗流所致。渗流监测是大坝安全监测的一个关键项目，对保障大坝安全具有重要意义。 工程实践表明，传统的电测式渗压计具有相当的局限性。研制一种性能优越的高技术渗压传感技术，以期对大坝工程的内部渗流状况实现连续、立体、灵敏、可靠的监测，是十分迫切和必要的。本文基于最新发展的光纤光栅传感技术，研制能适用于水利土木工程的光纤光栅水工渗压传感器。 光纤传感是一种典型的边缘性高科技应用技术，涉及到光子光学、光纤技术、力学、工程科学等等。鉴于光纤光栅的制作和解调(即波长检测)近来已实现商品化，本文主要研究光纤光栅渗压传感的转换机制——传感探头的封装壳，这是光栅传感应用于工程实际的关键，它集埋设、保护、光调制器于一体。 本文进行了一系列传感探头封装壳的结构分析和试验，采用非线性有限元数值模拟，对光纤传感能否实用化具有决定性意义的光纤基体复合结构的细观界面力学问题进行了深入分析。此外，还对反射式光纤光栅水工渗压传感器进行了研究和实验。 本文首次进行了光纤—混凝土复合体、光纤—封装材料复合体的非线性三维有限元界面力学状态分析，以及光纤埋入混凝土、光纤封入胶体的切向刚度试验；得出了非线性分析的参数，给出了光纤—混凝土复合体中的应变分布。深入研究了光纤胶体封装壳复合结构中的不同自由度单元之间的荷载传递问题，进行了对应于两种胶体的封装壳复合结构的非线性有限元分析，优选了高弹模的粘结材料，测得了这种材料的力学常数。 采用有限元软件ANSYS6.1，进行了传感探头整体结构的力学分析，通过优化对比确定了封装壳的曲面形状和几何规格，给出了该探头的光纤光栅中心反射波长和渗水压力这一光学一力学转换公式，并分析了渗水压力可能达到的测量分辨率。同时进行了光纤埋入封装材料的各种试验、封装壳的高压强度试验、和光纤封装壳整体结构的模型制作试验。 经过多次加工工艺的改进，制成高强玻璃的腰鼓型封装壳。 此外本文还分析了光纤光栅在轴向剪切荷载作用下的光纤光栅传感模型，导出了这一力学状态下的光纤光栅反射谱响应函数与剪应力之间的关系方程，建立了更为系统的任意应力作用下的光纤光栅传感模型和包括温度效应在内的统一的光纤光栅传感模型. 作为另外一种较为简便、但无复用功能的光纤渗压传感方案，本文还研究了反射式光纤渗压传感器。其封装壳为椭球体。以反射式光纤基本理论为基础，分析了光纤探头各种反射面的灵敏度，研究了不同表面曲线函数模型以及模型的长短轴和壳厚等几何参数对微位移的影响，得到了渗压与微位移之间的函数曲线。 本文得到的主要结论有:1.与传统的电式渗压传感器相比，光纤光栅渗压传感器的传感机制 简单明确，分辨率高、抗电磁干扰、耐久可靠。结构强度分析和 试验表明，该传感器还具有较大的动态范围。2.首次将光纤光栅直接装入高熔点无机材料中，为解决光纤光栅传 感器研制中最为困难的光栅安装固定工艺问题提供了一个新方 案。3.对埋入混凝土等材料的布拉格光栅或布里渊散射的光纤应变传感 器，首次采用非线性有限元分析，研究了光纤与基材间的细观力 学和界面状态这一影响传感精度的首要问题。并进行了界面切向 冈lJ度试验，得出了非线性分析的参数。 四川大学工学博士论文4.光纤一胶体封装材料复合体三维非线性有限元分析表明，粘结材 料的弹性模量和厚度会影响光纤和封装材料之间的应力应变传 递。粘结材料的弹越模高、厚度越薄，则它传递的应变就越大。5.对光纤胶体封装壳复合结构中的两种不同自由度单元之间的荷载 传递问题的研究表明，是否考虑两者之间的荷载传递，得到的封 装壳中的轴向应变结果会有很大的差异。6.腰鼓型封装壳的灵敏度高，渗压与安装柱应变具有线性关系，有 利于检测精度;光栅处于受压状态，可保障光栅传感元的耐久、 抗老化;可作为研制实用化的光纤光栅渗压传感器的实体模型。