1. 研究目的与意义（文献综述）

现代科学技术的不断发展，使工程材料呈现出一些新的特征。例如大量使用高强度材料和超高强度材料、工作环境恶劣、结构大型化、广泛采用全焊接结构等。针对工程材料的这些新特点，尽管人们小心翼翼地严格按照经典强度理论进行强度设计，但灾难性的事故还是接二连三的发生。研究认为，这些断裂都起源于结构的缺陷或者断裂，这些缺陷可能是焊接、咬边、夹杂或者表面机械伤。特别是，现阶段高强度铝合金材料被大量用于大型结构中，大大减轻了结构的重量。然而铝的韧性差、硬度低，材料容易出现裂纹，引发恶性断裂事故。研究铝合金材料裂纹的发生与扩展的传感器技术，对铝合金材料的裂纹损伤实施实时在线监测，防止断裂事故发生，具有重要意义。光纤传感技术作为新一代智能传感技术的代表，有传感器体积小、抗电磁干扰能力强、便于复用组网和易于安装等特点，非常适用于裂纹的发生与扩展的实时在线监测。

现在光纤Bragg光栅传感器在大型结构工程领域越来越广泛地得到应用。国家游泳中心“水立方”为得到钢结构在整体焊接完成卸载时实际应变和设计应变的差值，布设了250个光纤Bragg光栅应变和温度传感器，并在奥运会期间对结构运营时的应力和应变进行实时监测[1]。2004年，YojiOkabe 等人提出了一种用CFG检测复合结构CFRP中微裂缝的新办法。他们在2个0°层之间夹一个90°层，并在90°层和上面的0°层之间粘贴啁啾光栅。沿材料的纵向施加力的作用，然后撤掉材料中产生的裂缝将释放参与的应力，改变光栅的栅格周期和有效折射率，从而在反射谱相应的位置出现凹陷。裂缝和凹陷是一一对应的，从而检测反射谱凹陷的波长就可以确定裂缝所在的位置。光纤光栅传感技术以其自身的优势，在结构裂缝监测等工作中得到了广泛的应用，然而由于其自身很容易折断的特点，其测量的范围较小。2014年，包腾飞等人设计了一种简易弯曲型光纤光栅裂缝传感装置，并通过实验对此传感装置的性能进行了验证[2]。此装置明显提高了普通光纤光栅传感器的测量范围，而且具有良好的重复使用能力，以应对实际工程中裂缝开展情况的不确定性。

通常，FBG是通过测量布拉格波长峰值偏移量转化为沿着光纤的轴线的应变分量的应变传感器。然而，材料中有损伤存在时，产生应变梯度，此时多个应变分量或沿着FBG轴的应变场中的不均匀性或不连续性，反射的FBG光谱通常显示出明显的变形[3]。例如，北京宇航航空设计部在光波导耦合模理论的基础上，创建了FBG处于不均匀应变场中的反射光谱的数学分析模型。可以从FBG反射光谱中提取关于这些应变的信息，用于结构健康监测[4]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：金属结构存在于我国许多的基础设施中，然而结构在服役过程中由于自然环境的风蚀、材料腐蚀与老化等长期耦合作用，会出现不同程度的损伤，损伤的积累会导致结构的失效从而引发一系列的事故发生。裂缝是常见的损伤形式，裂缝的出现会破坏结构的整体性和抗渗性，将影响结构的强度和稳定性，因此将对金属材料裂缝损的实时在线光纤传感技术进行研究。

目标：金属结构的裂缝发生具有空间随机性和不确定性，因此，采用具有空间连续监测能力的准分布式光纤传感技术对裂缝进行实时有效的监测，基于测量结果逆向获得损伤信息与判据。

技术方案及措施：分别构建无损、有损（裂纹损伤）试件，布设fbg传感阵列对裂纹尖端应变梯度进行研究，分析fbg反射谱波长、谱型、啁啾程度与裂纹长度、裂纹与fbg间距、方向角之间的对应关系，探索基于fbg反射谱逆向获得裂纹位置、尺寸（长、宽、高）、方向等参量的方法。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容与方向，了解研究所需实验技术方案以及方案的可行性，确定方案，撰写开题报告。

第4-11周：根据设计的技术方案进行研究性实验。

第12-14周：根据所做实验进行实验结果分析，数据处理。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 常立峰，刘钊.光纤bragg光栅传感器在土木工程监测中的应用[b].黑龙江水利科技报，2009，37（4）：70-71.

[2] 包腾飞，赵津磊，张万祝，阎培林.新型可测量大变形的弯曲型光纤光栅裂缝传感器.中国科学：技术科学，2014（10）.

[3] 恽斌峰，吕昌贵，王著元等. 非均匀应变场中光纤布拉格光栅的数值分析[j].光电子·激光，2006,17（2）：151-154.