缠绕式光纤应变传感器开发及在道路工程中的应用
发布时间：2020-03-24 22:39
【摘要】：光纤传感器是一种伴随着光通信技术而发展起来的新型传感技术。与传统的力学传感技术相比,光纤传感器在面对恶劣的传感监测环境时具有显著的优点。在本研究中,为了提升光纤传感器量程,降低传感器成本,结合光时域反射技术,开发了以光纤螺旋缠绕调制结构为敏感元件的光纤应变传感器。形成了一整套由光纤敏感元件、封装结构、准分布式测量网络、信号解调算法组成的光纤传感系统。基于沥青混合料在碾压荷载作用下的动态压实有限元分析以及3D打印技术开发了适用于沥青路面变形监测的传感器。最后,通过压实实验验证了传感器的工作性能,获得了沥青混合料压实过程的实测数据。本文的主要内容及成果如下:(1)基于光纤宏弯曲损耗原理,研究了光纤螺旋缠绕结构对光纤光损耗系数的影响。使用Matlab软件开发了光时域反射仪数据文件处理程序,对测量信号的噪声分布以及去噪方法进行了分析研究,提升了传感信号的信噪比。通过数据分析及标定测试,分析了可能影响光纤缠绕结构传感性能的因素,为测量设备的参数设置提供了指导,提升了传感性能。(2)开发基于圆形橡胶棒的缠绕式光纤应变传感器原型。对光纤缠绕过程中的最优螺距、橡胶棒力学性能、传感器信号解调等问题进行了分析研究,验证了光纤螺旋缠绕结构的传感能力。对光纤缠绕式应变传感器的准分布式复用方法以及解调方法进行了研究,提升了传感器的测量范围,扩展了传感器的应用场景。(3)从本构模型出发,使用ABAQUS有限元软件对松散热态沥青混合料的动态压实过程进行模拟,获得了沥青混凝土路面压实过程的变形特性。根据沥青混合料压实变形的特点,对该传感器进行实用化定制,使用弹簧替换橡胶棒作为弹性基材,研发了沥青路面变形监测的传感器。使用理论计算、Matlab仿真、有限元分析等方法对影响传感器应变测量灵敏度的因素进行了分析,基于分析结果对弹簧的几何参数进行了优化,提升了传感器的灵敏度。(4)应用准分布式复用技术,搭建了包含3个传感节点的准分布式传感网络。使用准分布式传感器监测了车辙试件成型以及沥青混凝土路面坑洞的填筑击实过程中沥青混合料的变形。实验结果表明,三个传感器准确的测量到了沥青混合料的竖向变形随压实次数的增加而逐渐增加,最终趋于稳定的过程。证明本研究开发的传感器可以对沥青混合料压实过程进行监测。本研究通过对缠绕式光纤光损耗调制结构的研究,开发了一种新型光纤应变传感器,与商用光纤传感技术相比大大提升了应变传感量程,并且具有结构简单、成本低、易于定制的优点。基于该技术开发了沥青路面变形监测传感器,为解决沥青混凝土路面施工中压实次数难以控制、压实度不足等问题提供了一种新型的传感监测方法,为大量程光纤传感器的开发与应用提供了新的思路。
【图文】：
北京科技大学博士学位论文域反射技术邋ＯＴＤＲ邋（Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｏｍａｉｎ邋Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）最早由邋Ｂａｍｏｓｋｉ７６年提出［２吹该技术利用了激光雷达的概念，用于检测光纤的损耗特一技术已经成为检测光纤衰减、断裂和故障空间定位的常用手段。逡逑ＯＴＤＲ技术原理如图２－４所示。这一技术利用了激光雷达的概念，将一束激光脉冲注入到光纤中，由于光纤本身存在着各种缺陷和杂质，导致光脉冲在沿光纤向前传播的过程中不断发生损耗，能量不断降低。光纤中的瑞利散射强度不断降低（见图２－５）。这样，ＯＴＤＲ设备所的背向散射光强度随时间而不断降低。从激光器发射激光到背向散射到ＯＴＤＲ设备所需的时间就是光在光纤中传播的时间。时间越长，备就会接收到越远的光纤反射回的激光。而该处光纤的损耗信息就可反射光强度进行推算。目前，这一技术己经成为了探测光纤损耗及损的主要手段。逡逑
１９７６年提出［２吹该技术利用了激光雷达的概念，用于检测光纤的损耗特性，逡逑这一技术已经成为检测光纤衰减、断裂和故障空间定位的常用手段。逡逑ＯＴＤＲ技术原理如图２－４所示。这一技术利用了激光雷达的概念，激光逡逑器将一束激光脉冲注入到光纤中，，由于光纤本身存在着各种缺陷和杂质，这逡逑就导致光脉冲在沿光纤向前传播的过程中不断发生损耗，能量不断降低。所逡逑以光纤中的瑞利散射强度不断降低（见图２－５）。这样，ＯＴＤＲ设备所检测逡逑到的背向散射光强度随时间而不断降低。从激光器发射激光到背向散射光返逡逑回到ＯＴＤＲ设备所需的时间就是光在光纤中传播的时间。时间越长，探测逡逑设备就会接收到越远的光纤反射回的激光。而该处光纤的损耗信息就可以通逡逑过反射光强度进行推算。目前，这一技术己经成为了探测光纤损耗及损伤位逡逑置的主要手段。逡逑逦耦合器逦＾邋光纤逡逑激光器邋逦逦ｉｗｚ逦逡逑光学传感器邋逦？信号输出逡逑图２－４邋ＯＴＤＲ设备工作原理逡逑ｗ邋．邋＊邋瑞利散射光邋？邋ｏ／ｒ逦？逦输入光逡逑前向，播光逦？多合邋？逦＜｜ＳＨ３３逡逑＜＾－Ｚ］逦＾逦．逦背向散射光逡逑S缅危伞㈠温冲危慑危渝义贤迹玻等鹄⑸涔庠硎疽馔煎义洗送猓诠庀说娜鹄⑸涔獾模希疲模义澹ǎ希穑簦椋悖幔戾澹疲颍澹瘢酰澹睿悖澹模铮恚幔椋铄澹粒睿幔欤垮义希螅椋螅╁骞馄涤蚍瓷浼际跏且恢址植际焦庀舜屑际
本文编号：2598965
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１９７６年提出［２吹该技术利用了激光雷达的概念，用于检测光纤的损耗特性，逡逑这一技术已经成为检测光纤衰减、断裂和故障空间定位的常用手段。逡逑ＯＴＤＲ技术原理如图２－４所示。这一技术利用了激光雷达的概念，激光逡逑器将一束激光脉冲注入到光纤中，，由于光纤本身存在着各种缺陷和杂质，这逡逑就导致光脉冲在沿光纤向前传播的过程中不断发生损耗，能量不断降低。所逡逑以光纤中的瑞利散射强度不断降低（见图２－５）。这样，ＯＴＤＲ设备所检测逡逑到的背向散射光强度随时间而不断降低。从激光器发射激光到背向散射光返逡逑回到ＯＴＤＲ设备所需的时间就是光在光纤中传播的时间。时间越长，探测逡逑设备就会接收到越远的光纤反射回的激光。而该处光纤的损耗信息就可以通逡逑过反射光强度进行推算。目前，这一技术己经成为了探测光纤损耗及损伤位逡逑置的主要手段。逡逑逦耦合器逦＾邋光纤逡逑激光器邋逦逦ｉｗｚ逦逡逑光学传感器邋逦？信号输出逡逑图２－４邋ＯＴＤＲ设备工作原理逡逑ｗ邋．邋＊邋瑞利散射光邋？邋ｏ／ｒ逦？逦输入光逡逑前向，播光逦？多合邋？逦＜｜ＳＨ３３逡逑＜＾－Ｚ］逦＾逦．逦背向散射光逡逑S缅危伞㈠温冲危慑危渝义贤迹玻等鹄⑸涔庠硎疽馔煎义洗送猓诠庀说娜鹄⑸涔獾模希疲模义澹ǎ希穑簦椋悖幔戾澹疲颍澹瘢酰澹睿悖澹模铮恚幔椋铄澹粒睿幔欤垮义希螅椋螅╁骞馄涤蚍瓷浼际跏且恢址植际焦庀舜屑际
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