第一章绪论
针对桥梁与險道工程灾害类型及事故特点，研究适用于状态监测与灾害识别的传感理论与关键技术，研发先进、有效、准确的监测设备与系统，是有效保障桥險结构工程安全、防止安全事故发生必不可少的关键技术。一方面，采用适用于桥梁与險道工程条件下的监测技术与自动化仪器，对工程现场的关键信息进行长期实时监测，获取桥險结构关键参量的变化信息，以评价桥隧工程安全状态，及时对可能发生的安全隐患采取有效措施，防止灾害事故的发生或最大程度的减少事故损失；另一方面，开展现场试验或模型试验，利用先进的传感技术，科学定量的检测險道开挖、桥梁烧变等工程扰动作用下关键参数的变化规律与灾变诱导因素，了解致灾机理与灾害控制技术，形成类似地质条件下的工程安全评价体系，从根本上降低灾害发生的可能性。基于上述讨论和分析，本文以桥梁与隧道工程安全监测为应用背景，以桥險工程中不同灾害类型的工程现场应用及模型试验为依托，开展桥險工程安全监测的光纤光栅传感理论与关键技术研宄。首先以光纤光栅应变传感模型为基础，以研制微型化、高精度的光纤光栅传感器为目的，采用有限元数值分析方法在必要情况下考虑传感器与被测体匹配问题，对多种监测参数传感器的伴积、材料、结构形式进行优化设计，研制了表贴式光纤光栅应变计、高精度光纤光栅位移传感器、微型光纤光栅土压力计、靴式光纤光栅流速传感器；以土木工程中用于结构加固的土工格栅为基体，充分发挥光纤光栅与其他材料力学稱合性能好、成本低、系统适用性强的特点。
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第二章光纤光栅传感理论及多参数光纤光栅传感器优化设计
2.1光纤光栅传感理论
利用光纤光栅的轴向均匀应变特性进行应变等力学参数测量是当前最为常见的方式，但实际应用中，当光纤光栅栅区应变分布不均匀或受局部集中应力时，其反射光谱呈现啁啾效应，造成光谱畸变，在某些应用场合，光纤光栅长度方向受到的非均勾应变现象不可避免，因此有必要对轴向非均勾应变场下光纤光栅传感特性进行研究，建立光纤光栅非均勾应变传感模型。光纤光栅的温度应变交叉敏感特性是影响测量精度与可靠性的关键因素，通常在传感器和系统设计时要充分考虑温度应变的解稱问题。在应变等力学类参数测量时，需要剔除温度的影响。目前最普遍采用的方法为参考光栅补偿法，即采用一支参考光纤光栅只感受温度变化，另一光纤光栅同时测量应变与温度，利用温补光栅剔除温度响应，进而得到实际应变值。
2.2多参数光纤光栅传感器优化设计
在系统研究光纤光栅轴向均勾、非均勾应变传感模型及温度应变交叉敏感特性的基础上，本节根据桥隧工程安全监测关键特征参数的测量需求，充分考虑传感器体积、封装材料、传感器结构形式等因素，采用有限元力学仿真与性能试验相结合的方法，优化设计光纤光栅传感器。本节根据桥梁与随道工程所需传感器的设计需求，基于有限元力学仿真方法，优化设计了应变传递率高的表贴式光纤光栅应变传感器、用于微小裂缝监测的高精度光纤光栅位移传感器、与被测介质匹配性好的微型光纤光栅土压力传感器，以及用于裂隙流场监测的光纤光栅流速传感器，扩展了光纤光栅轴向应变传感模型在桥隧工程监测中的应用，为桥險工程不同灾害类型中重要表征参数的实时监测提供有效的技术手段。
第三章植入光纤光栅的智能土工格栅及其形态自传感方法.......50
3.1智能土工格栅在线植入方法传感系统构建.......50
3.2智能土工格栅形态传感方法........57
第四章非均匀光纤光栅空间应力荷载传感特性分析..........81
4.1啁啾光纤光栅轴向受力特性.......81
4.2相移光纤光栅轴向受力特性.........93
第五章光纤光栅传感系统及桥梁与險道工程监测的应用研究.......117
5.1光纤光栅传感系统构建...........117
5.2光纤光栅传感系统在桥隧工程安全监测的应用研究.......119
5.3基于支持向量机的光纤光栅传感系统缺失数据修补........137
第五章光纤光栅传感系统及在桥粱与隧道工程监測的应用研究
5.1光纤光栅传感系统构建
本节针对桥梁与隧道工程复杂环境关键参数的实时监测需求，组建光纤光栅多参数传感系统，系统由高精度微型化光纤光栅传感器系列、光纤光栅解调仪、计算机与系统软件组成。其中传感器系列包括表贴式光纤光栅应变传感器、高精度光纤光栅位移传感器、微型光纤光栅土压力传感器、以及光纤光栅流速传感器，主要安装于桥險工程项目监测现场，用于不同关键参数的实时监测；光纤光栅解调仪负责解调传感器获取的光信号，将其转换为电信号并传入计算机；软件系统用于实现计算机与解调仪的通信，并实现数据的采集、保存与分析；为进一步提高系统可靠性与智能性，可采用智能算法对采集的数据进行处理，实现数据的去噪、融合、修补，光纤光栅传感系统框图如图5.1所示。
5.2光纤光栅传感系统在桥隧工程安全监测的应用研究
根据不同工程环境与地质条件制定监测方案，在现场布设传感器以反映桥梁与随道工程安全状态，是保证工程安全的常用方式；同时针对工程状况与灾害类型开展地质力学模型，在满足相似原理条件下，真实再现物理实体，模拟灾害发生及防控情况，研宄致灾因素与灾变机理，也是减少灾害发生的有效方法、本节重点将光纤光栅传感系统应用于桥梁与隧道工程现场及模型试验中，针对不同的灾害类型，选用不同传感器进行关键参数的监测，验证不同传感器在特定工程现场与试验中的应用效果，并获取被测参数的变化规律。
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第六章总结与展望
本文的研究为推动光纤光栅传感理论与技术，提高基于光纤光栅的桥隧工程安全监测的可靠性提供了理论基础与技术手段。本为主要结论如下：
（1）在分析光纤光栅在轴向均匀与非均匀应变场下的光谱特性及光纤光；栅温度应变交叉敏感特性基础上，根据桥梁与隧道工程中传感器需求，充分考虑传感器体积、材料、结构形式与被测环境的相容性问题，釆用有限元法优化设计了多种参数的微型化、高精度光纤光栅传感器，重点优化设计了应变损失小的光纤光栅表贴式应变传感器，灵敏度高的光纤光栅位移传感器，与土体力学匹配优良的微型土压力传感器，适用于裂缝及管道流场流速检测式光纤光栅流速计，为桥隧工程不同灾害类型中重要参数的实时监测提供有效的手段。
（2）以土木工程中用于结构加固的土工格栅为载体，结合光纤光栅传感技术易植入、局部检测精度高、成本低的优势，通过研究光纤光栅与土工格栅的在线植入复合工艺，将带有pvc紧包套管保护的光纤光栅阵列置入土工格栅经向纱线中，研制了集测量与加固于一体的智能土工格栅，36cm长智能格栅。
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参考文献（略）