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