1. 研究背景与意义：

• 裂缝问题：裂缝是混凝土结构面临的常见病害，破坏结构整体性，导致钢筋锈蚀，降低耐久性和使用寿命。

• 监测重要性：准确、及时监测裂缝对提前预警和防治措施的制定至关重要。

• 光纤传感器优势：光纤传感器因耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度和准分布式监测能力，在土木工程领域受到关注。

2. 研究现状：

• 已有研究：许多学者利用光纤传感技术进行裂缝监测研究，如光纤弯曲损耗原理、布里渊光时域反射技术等。

• 存在问题：现有光纤传感器存在单一方向测量及线性度不足的问题，对裂缝双向测量研究较少。

3. 共轭弹簧式光纤传感器设计：

• 设计目标：解决单向测量及非线性响应问题，实现裂缝双向测量。

• 结构特点：传感器由两根高弹性螺旋弹簧构成，单模光纤螺旋缠绕于弹簧表面，形成两个传感区域。

• 工作原理：通过检测光纤宏弯损耗变化实现对外界物理量的测量，利用共轭布置实现光损耗互补性增减。

4. 传感器建模与标定：

• 宏弯损耗特性：建立了弯曲半径与宏弯损耗之间的定量映射关系。

• 几何建模：结合圆柱螺旋结构几何特性与光纤宏弯损耗效应，构建传感器几何模型。

• 标定试验：通过单向加载方式模拟裂缝变形过程，验证传感器的传感性能及传递函数有效性。

5. 试验结果与分析：

• 线性度改善：通过叠加两个传感区域的宏弯损耗变化量，显著改善了传感器的线性响应特性。

• 测量误差分析：模型试验表明，传感器在量程范围内最大测量误差不超过5.4%。

• 裂缝变形状态识别：通过对比不同传感区域宏弯损耗值的大小，准确识别裂缝收缩与扩展状态。

6. 研究结论与展望：

• 主要结论：共轭弹簧式光纤传感器设计有效解决了单向测量及非线性响应问题，为混凝土结构裂缝监测提供了可行方案。

• 研究展望：后续将探究传感器在复杂环境下的长期稳定性，并基于无线传感组网技术实现大型结构分布式监测的工程应用。

文章通过理论分析、标定试验和模型试验，系统评估了共轭弹簧式光纤传感器的传感性能，验证了其在混凝土结构裂缝监测中的有效性和可行性，为光纤传感技术在土木工程健康监测中的应用提供了新的技术思路。