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光纤和半导体是智能传感材料中的两种重点材料。基于光纤传感材料研制的光纤传感器,除具有传统电类传感器的功能外,抗干扰能力强、精度高、长期稳定性好。其中Bragg光栅传感器可在一根光纤上进行多点准分布测试,实现一体化测量。基于压阻效应的半导体传感器,具有远高于传统电阻应变片(主要由康铜丝、镍铬材料制成)的测试精度。以上这两种性能优越的智能传感器在土木结构试验研究与健康监测中有着广阔的应用前景。
本文对光栅光纤应变传感器、光栅光纤加速度传感器和半导体传感器进行了较系统的试验研究与分析,主要研究工作包括:
(1)通过试验室试验与现场监测,对Bragg光栅传感器的适用性与布设工艺进行研究。在上海旗忠森林体育城网球中心看台结构模型的静力试验中,将Bragg光栅光纤应变传感器埋入模型混凝土内,实现加载试验中对模型主筋应变全过程测量,与电阻应变片测试对比结果表明光栅应变传感器工作性能良好。在网球中心看台结构现场施工监测中.应用Bragg光栅传感器测试结构内部钢绞线应变,结果表明Bragg式光栅应变传感器,在混凝土结构中的应用是可行的,本文所采用的粘贴技术是合理的、有效的。
(2)对基于等强度梁的Bragg光栅加速度传感器进行了标定试验研究。在网球中心振动台试验中布置了四台Bragg光栅光纤加速度传感器。根据获得的数据绘出加速度时程曲线和频谱曲线,与压电加速度传感器进行对比分析,表明等强度梁式Bragg光栅光纤加速度传感器适用预混凝土结构振动测试。
(3)对半导体应变计进行标定,并通过各类结构、构件试验对不同基体材料进行了半导体传感器应用技术研究。在等强度梁标定试验中,研究分析了半导体应变计的工作性能,如灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。结合土木工程应用需求,对半导体传感器在多种基体材料上的工作性能进行系统试验研究,包括:钢板表面、混凝土表面、钢筋表面、钢绞线、CFCC筋、CFRP筋、CFRP板和自制埋入式弹性体,取得了半导体在不同基体上的工作性能,并提出半导体传感器土木工程应用中适用量程。本文在国内外首次将半导体应变计应用在应变极小的智能混凝土梁驱动试验中,实现了微应变监测,
(4)自行研制了基于弹性体工作数量变化的线性变灵敏度半导体荷载传感器,通过标定试验表明该传感器工作性能稳定,误差小,适用于土木工程荷载测量。
本文的研究成果将为光栅光纤应变传感器、光栅光纤加速度传感器、半导体应变计以及半导体荷载传感器在混凝土领域中的推广应用提供技术依据。