近年来我国的水利水电、铁路公路、市政工程等领域的设施建设快速发展,一大批高陡边坡、大跨度桥梁、水库大坝、深长隧道等线性工程陆续投入建设或运行。线性工程具有纵向长度长、横向展布小、分布范围广、服役时间长以及运营环境复杂等特点,由于水文、地震、材料腐蚀老化、施工质量、运行管理不当等因素的影响,部分工程设施存在裂缝和病变等不安全因素,因此在一定程度上影响工程安全运营。长时间的疲劳和不健康状态下运营导致事故频发,造成大量人员伤亡和巨大经济损失,严重制约经济建设与社会发展。线性工程灾害初期有较强的隐蔽性、事故突发性强、造成后果严重,因此研究适用于线性工程结构的高精度传感理论以及开发先进的监测设备和测量系统,是有效保证线性工程安全运营、减少灾害发生的关键举措。光纤传感技术具有测量精度高、复用能力强、信号传输距离远等优势受到国内外研究人员的青睐。但是目前用于线性工程结构安全监测的光纤光栅传感技术还存在一定不足:大多数光纤光栅传感器只是采用点式监测与工程结构稳定性相关的倾角、位移、压力、应变等力学参数,不适合用于结构整体位移场的测量和变形面的定位;对于造成柔性光纤光栅传感器测量误差的因素,比如传感点与柔性基体之间应变传递率、传感点的布设间隔、形状重建算法等,以及提高传感器的传感性能方面研究较少。在兼具加固与传感功能的柔性传感器以及三维变形场的高精度传感研究方面不足,不能实现对多种参量的综合分析与准确预警。通过以上讨论与分析,本文以线性工程变形场高精度传感为应用背景,以不同灾害类型(如边坡滑移、路基沉陷、桥梁沉降、大坝变形等)的模型试验和现场应用为依托。理论分析造成柔性光纤光栅传感器形状重建误差的原因,提出基于弯曲形状自分类和自聚类的修正方法。研制了适用于线性工程二维变形场和三维变形场监测的柔性光纤光栅传感器,通过有限元仿真分析和标定实验共同验证所提修正方法的必要性和可行性。开展模型试验和工程现场应用对设计的传感器的性能进行分析研究。具体的研究工作为:1、以耦合模理论和传输矩阵理论为基础,研究了不同栅区长度、栅区轴向均匀受力以及非均匀受力下的光谱变化特性;采用理论推导和建立模型的方式分析传感点与柔性基体之间的粘贴方式(粘贴长度、宽度和厚度)、柔性基体特性、以及传感点布设间隔等因素对柔性传感器变形形状重建精度的影响,从理论上分析指导传感器的制作封装以及实现高精度变形传感的必要性。2、研究分析了适用于线性工程二维变形场和三维变形场的重建算法;针对柔性传感器不同的弯曲变形,提出了基于弯曲形状分类修正实现柔性传感器高精度传感的方法。通过对柔性传感器典型的弯曲形状进行实验标定,利用智能分类算法对传感器的弯曲形状进行自动分类,然后不同弯曲形状自动选取相应的修正系数。采用仿真分析和标定实验共同验证了基于形状自分类的变形场高精度传感方法在二维变形场和三维变形场应用的可行性和必要性。3、针对线性工程结构变形场的多样性,提出了基于弯曲形状自聚类的变形场高精度传感方法。以传感点处的应变增量为特征值,采用聚类算法对应变增量进行聚类,进而自动识别柔性传感器不同弯曲形状的变形段,然后采用优化算法确定不同变形段的最优修正系数,该方法具有自动修正重建位移场的特点,通过仿真分析和标定实验共同验证了基于形状自聚类的变形场高精度传感方法在二维变形场和三维变形场应用的高效性。4、为实现线性工程结构中多参量测量,全面反映被测结构的安全状态。开发了结构新颖的光纤光栅裂缝传感器;研制了监测工程周围环境湿度的光纤湿度传感器;为了满足实际工程需求,提高光纤光栅传感点的成活率并降低传感器的制作成本,设计了牵引式柔性光纤光栅传感系统;制作了集加固和变形传感于一体的网状柔性光纤光栅传感器。开展模型试验验证设计的柔性传感器在路基沉降、桥梁挠变、边坡变形等线性工程监测中能够实现高精度传感;设计的裂缝传感器和三维柔性传感器分别应用到钢管混凝土防脱粘监测和堤坝安全运营监测,对被测结构进行实时监控和预警,保障工程安全高效运营。本文对用于线性工程监测的传感器进行了有效研发与性能优化,在应用方面:监测工程结构变形对其稳定性、安全性进行判断,以便及时采取补救措施防止事故发生;在科学研究方面:分析累积监测数据,进而解释变形机理与验证变形假说,为修改设计、制定规范提供依据。