《基于智能材料的结构健康监测技术》将智能材料与传统结构健康监测相结合，在光纤传感技术和结构长期监测方法方面进行了相关研究。《基于智能材料的结构健康监测技术》结合光纤传感技术和不同监测对象的特点，对光纤传感系统的结构、特性，传感器与结构的有效融合、界面兼容性，传感器的植入工艺和结构的长期监测方法等方面展开研究。《基于智能材料的结构健康监测技术》系统地阐述了一系列基于智能材料的结构健康监测技术与方法，旨在对当前结构健康监测体系进行补充与优化。这些技术不仅能够提升结构安全监测的效率和准确性，还有助于激发更广泛的社会参与，共同推进结构安全保障和灾害预防工作。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 智能材料结构概述 1
1.2 光纤传感器 2
1.2.1 光纤传感器的原理、特点及分类 2
1.2.2 光纤传感器的应用及发展现状 3
1.3 光纤光栅传感器 4
1.3.1 光纤光栅传感器的特点 4
1.3.2 光纤光栅传感器的应用及发展现状 4
1.3.3 光纤光栅传感技术中存在的主要问题 5
1.4 全分布式光纤传感器 6
1.4.1 全分布式光纤传感器的特点 7
1.4.2 全分布式光纤传感技术的应用 8
1.4.3 全分布式光纤传感技术的发展方向 11
1.5 智能材料结构在结构健康监测中的应用 12
参考文献 13
第2章 光纤布拉格光栅传感技术 15
2.1 概述 15
2.2 光纤光栅的传感原理及理论分析 16
2.2.1 光纤光栅的耦合模理论 16
2.2.2 光纤光栅应变传感原理及应变灵敏度的理论分析 20
2.2.3 光纤光栅温度传感原理及温度灵敏度的理论分析 21
2.3 低频高灵敏度FBG加速度传感器 22
2.3.1 FBG的基本特性 22
2.3.2 一般振动模型 22
2.3.3 传感器结构参数分析及优化 25
2.3.4 传感器结构设计与理论计算 30
2.3.5 传感器传感特性试验验证 39
2.4 位移型FBG倾角传感器 55
2.4.1 基本传感原理 55
2.4.2 结构设计与数值分析 56
2.4.3 传感特性验证 63
参考文献 69
第3章 全分布式光纤传感技术 71
3.1 概述 71
3.2 全分布式光纤传感原理及分析 71
3.2.1 光纤中的自发散射谱 71
3.2.2 全分布式光纤传感技术的主要参数 72
3.2.3 光纤中的布里渊散射原理和传感机制 74
3.2.4 光栅温度-应变交叉灵敏度的理论分析 82
3.3 基于FBG的全分布式精确定位方法 83
3.3.1 基于FBG的时域定位方法原理 83
3.3.2 FBG与布里渊信号耦合特性 85
3.3.3 环境温度及空间分辨率对定位精度的影响 87
3.4 基于FBG的布里渊分布式位移传感器 92
3.4.1 基于FBG的布里渊分布式位移传感原理 93
3.4.2 1#位移传感器的传感特性 95
3.4.3 2#位移传感器的传感特性 98
参考文献 101
第4章 基于光纤传感的智能材料结构设计理论 103
4.1 概述 103
4.2 基于光纤传感的智能材料结构特点及发展现状 103
4.3 光纤植入复合结构材料的基本原理 104
4.4 光纤与纤维增强复合材料界面性能 105
4.4.1 剪滞分析模型 105
4.4.2 黏结区应力分量的求解 106
4.4.3 裸纤界面数值分析 109
4.5 智能结构中传感系统的要求与设计 113
4.5.1 复合材料与光栅传感器复合模型及分析 113
4.5.2 传感器结构界面数值分析 114
4.5.3 传感器的尺寸设计 121
参考文献 125
第5章 基于光纤智能材料结构的智能拉索监测方法 126
5.1 概述 126
5.2 智能拉索的结构及功能设计 126
5.2.1 钢索（筋）结构 126
5.2.2 斜拉索的功能设计 127
5.3 复合材料的成型工艺 128
5.4 增强复合材料智能拉索丝的制备 129
5.4.1 试验设计 129
5.4.2 FBG的复合工艺研究 131
5.5 混杂纤维增强复合材料的力学性能 134
5.5.1 力学性能样品制备及分析 134
5.5.2 SEM扫描样品制备及分析 136
5.5.3 光栅传感器与复合材料的界面黏结分析 139
5.6 智能拉索丝的传感特性 141
5.6.1 试验系统 141
5.6.2 传感特性分析 142
参考文献 146
第6章 基于智能支座的桥梁结构健康监测方法 147
6.1 概述 147
6.2 智能支座应变放大原理与结构设计 148
6.2.1 支座结构力学分析 148
6.2.2 基于变截面的环向应变放大原理 150
6.2.3 变截面球形支座的结构设计 150
6.3 球形支座的仿真分析 153
6.3.1 变截面放大器结构参数影响分析 153
6.3.2 竖向荷载下原尺寸球形支座的有限元分析 157
6.3.3 压转荷载下原尺寸球形支座的有限元分析 165
6.3.4 不同工况下的球形支座的有限元分析 172
6.4 环向分布式光纤与球形支座的复合工艺研究 193
6.4.1 传感元件与支座结构的复合设计 193
6.4.2 FBG复合工艺 193
6.5 变截面支座模型传感特性 196
6.5.1 试件制作与试验 196
6.5.2 变截面厚度对支座模型传感特性的影响 199
6.5.3 变截面直径对支座模型传感特性的影响 200
6.5.4 传感器的工作范围 202
6.6 实际变截面支座传感特性 204
6.6.1 试件尺寸与试验 204
6.6.2 变截面直径为275mm的支座 207
6.6.3 变截面直径为315mm的支座 211
6.6.4 无变截面结构支座 213
参考文献 215
第7章 基于螺旋分布式光纤的锚索腐蚀长期监测方法 217
7.1 概述 217
7.2 基于螺旋分布式光纤的锚索均匀腐蚀监测原理 219
7.2.1 腐蚀膨胀厚壁圆筒模型分析 219
7.2.2 基于螺旋分布式光纤的锚索腐蚀监测原理 220
7.2.3 环向光纤应力的影响参数分析 222
7.3 螺旋分布式光纤的*率研究 223
7.3.1 螺旋缠绕角对螺旋分布式光纤传感器性能的影响 224
7.3.2 弯**率对螺旋分布式光纤传感器性能的影响 226
7.4 螺旋分布式光纤应变与腐蚀率的理论数学模型 228
7.4.1 钢筋锈胀力与腐蚀率关系的理论分析 228
7.4.2 螺旋光纤缠绕参数与光纤应变的理论分析 231
7.5 钢筋混凝土结构的钢筋腐蚀规律 232
7.5.1 试验方案 232
7.5.2 钢筋锈胀规律 234
7.5.3 垫层厚度对螺旋分布式光纤应变的影响 238
7.5.4 钢筋腐蚀长度对螺旋分布式光纤应变的影响 242
7.5.5 光纤应变与结构损伤的关系 243
7.5.6 钢筋腐蚀的损伤定位规律 244
7.6 复合式锚索长期监测模型试验 248
7.6.1 预应力锚索腐蚀长期监测验证平台的搭建 248
7.6.2 电加速腐蚀试验 249
7.6.3 结果分析与讨论 250
参考文献 253
第8章 基于轴向分布式光纤的锚索腐蚀长期监测方法 254
8.1 概述 254
8.2 基于轴向分布式光纤的锚索腐蚀监测原理 254
8.2.1 预应力锚索腐蚀损伤监测思路 254
8.2.2 预应力锚索腐蚀损伤表征参数 256
8.2.3 腐蚀率测试范围 258
8.2.4 预应力锚索腐蚀损伤数学模型的推导 261
8.2.5 试件的设计及制作 262
8.3 基于轴向分布式光纤的预应力锚索腐蚀损伤的监测方法 265
8.3.1 试验方案 265
8.3.2 结果分析与讨论 268
8.4 光纤植入纤维增强复合材料的性能 275
8.4.1 FBG智能纤维复合材料的微观力学与界面性能 275
8.4.2 界面的疲劳特性 279
参考文献 280

第1章 绪论
　　1.1 智能材料结构概述
　　智能材料的来源可追溯到20世纪70年代，美国学者Claus[1]将光纤埋入聚合物基碳纤维复合材料中，开创了智能材料结构学科。20世纪80年代中期人们开始讨论智能材料的定义，正式提出了智能材料的概念。*先，关于智能材料的英文表述有“smart material”“adaptive material”“smart structures”等，但笔者认为“intelligent material”更适合作为智能材料结构的表述，因为“intelligent”有判断、推理的含义，能更好地诠释“智能”的含义。肖纪美院士在《智能材料的来龙去脉》一文中介绍了不同学者对智能材料的各种定义，并通过逻辑分析对智能材料概念的内涵与外延进行了客观的评述[2]。例如，有侧重技术上的定义——“在材料和结构中集成有执行器、传感器和控制器”，该定义说明了材料类型与功能，但问题在于没有系统集成的指导思想和目标；有侧重科学上的定义——“在材料系统微结构中集成智能与生命特征，达到减小质量、降低能耗并产生自适应功能目的”，该定义的问题在于没有材料类型与功能要求。杨大智院士给出了一个相对全面的定义：智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数、自身可做出所期望的能与变化后的环境相适应的自我调整的复合材料或材料的复合[3]。
　　智能材料结构中两类重要的功能材料是感知材料及响应与驱动材料[4]。其中，感知材料感知环境信息及自身性能的变化；响应与驱动材料（可做成驱动或执行器）是对外界环境条件或内部状态发生变化做出响应或驱动的材料。它具有如下特征：①利用上述两种功能材料做成传感器和驱动器；②其中，传感器对外界刺激信号做出感知，得到感知信号；③并用信息技术对感知信号进行处理，指令反馈给驱动器；④然后驱动器做出及时、灵敏、恰当的反应；⑤当外部刺激信号消失后，迅速恢复到原始状态。
　　常用驱动材料有压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆材料、电流变材料和磁流变材料。目前驱动材料在实际应用中仍然存在作动力较小、响应滞后等问题。感知材料是指具有感知功能的材料（可做成各种传感器），用于感知外界或内部的刺激信号（如光、电、磁、热、化学、应力、应变与辐射等）。常用感知材料包括压电材料、电阻应变材料、微芯片传感材料与光纤传感材料。上述感知材料无法在材料结构内串联布设，需要大量并联导线，因此布线复杂，不易埋设，而且不能适应极限工作条件（如高温、高压、高磁场、高辐射、高腐蚀），其应用有限。然而，光纤材料由于体积小、质量轻、灵敏度高、动态范围大，可用于易燃、易爆、高电场及强磁场等极限条件，其与母体复合材料具有优良的兼容性，埋入方便，已成为智能材料结构的*选传感材料。因此，基于光纤传感的智能材料结构迅速且蓬勃地发展起来。
　　1.2 光纤传感器
　　1.2.1 光纤传感器的原理、特点及分类
　　光导纤维（简称光纤）*早用于传光及传像。在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传输信息。然而，光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且还可以作为传感载体。这是因为光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等）作用而发生间接或直接的变化，从而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量，这也是光纤的基本传感原理。
　　光纤传感器主要由光源、光纤、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤传感器可以分为传感型与传光型两大类[5]。利用外界物理因素改变光纤中的光强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输的，称为传感型（或功能型）光纤传感器，其具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器是指通过将被测对象调制后的光信号输入光纤，并在输出端对光信号进行处理以实现测量的传感器。在该类传感器中，光纤仅作为光传输元件，而必须额外配置能够对光信号进行调制的敏感元件。
　　与传统传感器相比，光纤传感器具有一系列*特、难以比拟的优点，主要如下。
　　（1）光波抗电磁干扰能力极强，电绝缘、耐腐蚀，本质安全。
　　由于光纤传感器是利用光波传输信息，光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，免电磁干扰，同时也不影响外界的电磁场。因此它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁场干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能安全而有效地传感。
　　（2）灵敏度高。
　　利用长光纤和光波干涉技术可使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已由理论和试验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器。
　　（3）质量轻、体积小，对被测介质影响小。
　　光纤具有质量轻、体积小的特点，这有利于埋入结构材料中，尤其有利于用在航空航天以及狭窄空间中。
　　（4）外形可变。
　　光纤还具有可弯*的*特优势，其与结构具有与生俱来的相容性，因此可利用光纤制成外形各异、尺寸不同的光纤传感器。
　　（5）可测参量多，应用对象范围广泛。
　　通过不同的解调和调制技术，光纤传感器可以实现多种参量的传感，例如应力、温度、振动、电流、电压、速度、加速度、转角、弯*、位移、折射率、溶液浓度等。因此，光纤传感器测量对象十分广泛，可感知的参量已经达到了100多种。
　　1.2.2 光纤传感器的应用及发展现状
　　光纤一问世就受到极大重视，几乎在各个领域都得到了研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术的蓬勃发展。随着20世纪70年代低损耗光纤的成功研发，光纤已经发展成为现代通信和光传感网络的代名词。光纤传感器的传统终端市场包括航空航天、国防、石油和天然气开采、基础设施发展和电信行业。传统终端市场的发展将继续推进全球光纤传感器市场的增长。由此可见，智能结构的升级、新兴基础设施建设的蓬勃发展以及石油和天然气行业的飞速发展都为光纤传感器的市场增长开辟了重要机遇。
　　2021年全球分布式光纤传感市场规模大约为58亿元（人民币），预计2028年将达到114亿元，2022～2028年年复合增长率为9.87%。2021年中国占全球市场份额为24.02%，北美占34.63%，预计到2028年中国市场复合增长率为11.96%，并在2028年规模达到4.788亿美元，同期北美市场复合平均增长率（compound annual growth rate，CAGR）预计大约为9.13%。目前北美是全球*大的分布式光纤传感生产地区，占有大约44%的市场份额，中国占有大约30%的市场份额[6]。
　　然而在光纤传感领域中，传统光纤传感器绝大部分是光强型和干涉型的。前者的信息读取依赖于光强大小，因此光源起伏、光纤弯*损耗、连接损耗和探测器老化等因素都会直接影响光纤传感器的测量精度。而干涉型传感器的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，这样光纤光路的灵活和连接方便等优点就大打折扣，而且干涉型传感器是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固定参考点，这给光纤传感器的应用带来了难度。
　　近年来，光纤光栅与全分布式光纤传感技术以其分布式、便于组网的*特优势，在光纤传感技术竞争中日益显示出强大的生命力，并在军用、民用等工程领域广泛应用。
　　1.3 光纤光栅传感器
　　1.3.1 光纤光栅传感器的特点
　　1978年，在掺锗石英光纤中，加拿大渥太华通信研究中心Hill等[7]*次发现了光纤的光敏效应，并制作出世界上**个光纤光栅，从而引起了光纤传感领域一次新的革命。1989年美国联合技术研究中心Meltz等[8]以倍频燃料激光器输出的244nm的紫外光为光源，用全息干涉法在掺锗石英光纤上研制出**支布拉格波长位于通信窗口的光纤光栅，使光纤光栅进入实用化。1993年，Hill 等[9]又提出利用相位模板制作光纤光栅，使光纤光栅工业化生产成为现实。
　　除了具有普通光纤传感器的优点外，光纤光栅传感器还有一些明显优于传统光纤传感器的优势，其中*重要的就是波长编码以及复用特性，主要优点如下。
　　（1）波长编码，抗干扰能力强。
　　这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。
　　（2）便于复用成网。
　　光纤光栅能构成各种形式的光纤传感网络，形成分布式光纤光栅传感器阵列，结合波分复用、时分复用技术解调光纤光栅传感器阵列的光学信号，可实现多点测量的分布式光纤传感网络。
　　（3）光纤光栅传感器可实现绝对测量，具有良好的重复性。
　　光纤光栅是自参考的，可以绝对测量（在对光纤光栅进行标定后），不必像基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。
　　（4）易于和材料复合。
　　鉴于光纤光栅外观与普通光纤相似，具备结构简单、体积小巧的特点，因此易于嵌入复合材料构件或大型建筑物内部。采用光纤传感技术的智能材料和结构，能够实现对结构完整性、安全性、荷载疲劳程度及损伤状态等进行持续且实时的监测。
　　1.3.2 光纤光栅传感器的应用及发展现状
　　随着相位掩膜法的使用、光纤制造技术的不断完善、应用成果的不断出现及世界向信息化社会的迈进，光纤光栅已成为目前较具挑战性和较有发展前途的光纤无源器件之一，极大地促进了光纤通信和光纤传感领域的发展，并被广泛应用于国防、工业与农业生产、环境保护、生物医学、计量测试、交通运输、自动控制等领域。特别是在光纤传感领域，光纤光栅作为一种具有优良性能的光纤传感元件，在土木工程和航天工程等技术领域有着很好的应用前景。
　　在光纤通信领域，光纤光栅的出现使许多复杂的全光通信成为可能。研究表明，光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术问题，例如，光纤光栅可用于制作光纤光栅激光器、波分复用器、色散补偿器、波长变换器等。
　　在光纤传感领域，自从1990年美国的 Morey 等[10]*次进行光纤光栅的应变与温度传感器研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究。光纤光栅已成为传感领域发展*快的技术，并在很多领域取得了成功的应用，如土木工程、航天器及船舶、电力、石油工业、医学、化学、医药等领域。
　　2003年，Magne 等[11]将11个光纤光栅传感器布设在混凝土箱形梁内部，监测桥梁在动荷载作用下的反应，对桥梁的健康状况进行评估。2004年，欧进萍等[12]对黑龙江省的呼兰河大桥进行健康监测，布设的光纤光栅传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程，以及箱形梁静载试验的钢筋应变增量与分布。2007年，李冬生等[13]在四川峨边大渡河拱桥关键性吊杆中成功布设了光纤光栅应变和温度传感器，利用布设好的光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器成功监测了车辆荷载下吊杆应变历程和温度变化过程、同一车辆荷载对不同长度吊杆的影响。2009年，王旭等[14]将光纤光栅应变传感器应用到云南小磨高速公路九龙隧道工程。同年，胡宁[15]将光纤光栅应变传感器应用到福建厦门翔安海底工程中。2010年，郝晋豫等[16]将光纤光栅应用在郑州至西安铁路无砟轨道线路工后沉降监测上。2013年，段抗等[17]等将光纤光栅位移传感器应用在盐岩地下储气库群模型试验中。2014年，孙健[18]在神东天隆集团马家塔2号露天矿进行边坡位移的测量。2019年，胡仲春[19]基于光纤光栅传感技术和云服务平台提出多类型近接工程综合监测系统，实现了对太原火车站蓄水池基坑、下穿既有铁路隧道等近