光纤Bragg光栅测量理论及其在动力工程中应用的研究

发布时间：2020-11-15 01:09

　　 随着对动力需求的提高,大型动力设备的应用越来越多,保障其运行的安全性和经济性首当其冲,因此动力设备的在线和间歇健康状态监测成为一个重要而必不可少的组成部分。同时,其监测所得数据为设备设计和优化运行提供可参考的依据。对于动力设备健康安全运行,需要先进的测量和监测手段,以保证及时维护和整治,避免重大事故发生。 针对动力设备安全监测、经济运行,本文采用光纤Bragg光栅(Fiber Bragggrating,FBG)智能传感元件,研究其传感理论和特性,实验研究FBG温度和应变传感特性,并制作出FBG振动模态传感器、FBG相对湿度传感器、FBG折射率传感器、FBG液体浓度传感器、FBG气体浓度传感器以及解调和测试系统。为动力设备振动特性、腐蚀特性、噪音特性、温度和应力、泄漏、烟气成分、浓度和湿度等参数的监测提供有效手段。 首先,本文研究了FBG的传感理论和特性,采用传输矩阵法对FBG反射光谱进行理论计算,充分认识和了解其温度和应变传感机理。计算结果表明折射率和光栅长度对FBG反射光谱影响很大。实验测试了FBG的温度和应变传感特性,其温度和应变灵敏度分别为10.2 pm╱℃和0.9742 pm/με。研究了多种FBG波长解调方法,包括光谱仪直接测量、基于波分复用器的边缘滤波法和可调谐窄带激光法等。 其次,本文采用FBG对悬臂梁模态频率进行测量,对悬臂梁振动特性进行分析。同时采用模态分析系统(CRAS)对悬臂梁的振动特性进行测量,有限元软件(ANSYS)对悬臂梁的振动特性进行理论计算。三种方法的结果相同,证实基于FBG的测量方法可靠。然后利用FBG来测量汽轮机叶片在有无约束时的模态频率,结果表明FBG的测量方法可靠,从而引导FBG测量技术在动力工程中振动特性测量的应用开展。 然后,本文采用FBG结合聚酰亚胺湿敏材料进行相对湿度测量。湿敏材料涂覆在FBG表面,湿敏材料把相对湿度的变化转化为应变的变化,作用于FBG,导致FBG特征波长发生变化,实现相对湿度传感。对湿敏材料、FBG湿度传感头、测试系统以及传感头的响应特性进行研究。实验结果表明当湿敏材料厚度为8μm时,湿度和温度灵敏度分别为-0.266 mV/%RH和-24.91 mV/℃,响应时间仅为5s,为开展烟气湿度、氢气湿度、煤炭湿度等的测量打下基础。 再次,本文利用FBG和倏逝场吸收原理测量折射率。通过腐蚀变薄FBG所在的光纤包层,使得光纤纤芯传输光的倏逝场暴露于环境中,外界环境折射率变化引起FBG有效折射率变化,导致光栅的反射波长发生漂移,从而通过检测波长漂移实现折射率传感。当包层厚度为17μm时,折射率灵敏度为3.40 V/RIU。利用制作的变薄FBG折射率传感器应用于测量几种具有代表意义的化学物质(酸、醇、糖类)浓度,其浓度测量范围为0至饱和浓度,而且应用于纳米流体浓度测量。采用U型结构FBG来实现对折射率的增敏,相比直的变薄FBG,其灵敏度提高了25%。 另外,针对微结构和微流体测量技术,本文研究了微结构FBG,实现对折射率和浓度测量。对微结构FBG的反射光谱进行数值模拟,结果表明微结构长度、深度、位置对反射光谱影响很大,其结果为微结构设计提供参考依据。采用包覆法和三层溶液法制作微结构,研究制作方法与工艺,开展折射率传感等实验研究。当微结构在光栅中间位置,长度为800μm,包层直径为14μm时,折射率测量范围为1.33～1.457,随着折射率增大,透射峰峰值所在的波长随之增大,折射率灵敏度为0.79 nm/RIU。对于目前波长解调分辨率为1 pm,传感器的折射率最小分辨率可达1.2×10~(-3)。采用包覆法制作双微结构FBG,可实现温度和折射率(浓度)同时测量。 最后,本文利用FBG的可调谐滤波特性来进行气体浓度测量。结合气体吸收理论,搭建了基于FBG的气体浓度测试系统,分别对CO和C_2H_2气体浓度测量进行了实验研究,获得气体吸收特性,光谱吸收峰特征。实验结果表明CO和C_2H_2气体—最大吸收峰值波长分别为1546.6nm和1531.52nm。结合FBG可调谐范围宽和易复用的优势,可以实现同时对多种气体识别以及气体浓度进行测量。 根据上述的研究,本文寄予把FBG测量技术引入到动力工程研究领域,为动力设备安全监测和经济运行提供一种新的测试手段。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TH17
【部分图文】：

因此，本文利用光纤传感中最具发展潜力的一种传感元件FBG，基于FBG调制和解调(见图1一1)原理，通过特殊的设计和封装，制作应变和温度传感器，振动模态传感器、相对湿度传感器、折射率传感器、液体浓度传感器、气体浓度传感器等，把FBG引入到动力工程研究领域，实现对动力设备的健康监测与优化运行参数进行监测。外界f丫、j(物理、化学’!物称;.协阳阳(i{专，洛:乙f‘}}}图1一 1FBG传感元件调制与解调信息

OSABr笔ggrating图1一5接触式光纤光栅写入示意图非接触式写入法是指光纤与相位掩模板不接触，士1级衍射光经过一定光程后再相遇干涉对光纤进行曝光，如图1一6所示[’341。

光纤光栅属于迅变光波导，在考虑模式祸合的时候，只能使用矢量模祸合方程(2一9)来进行光纤光栅特征的理论计算。实际使用中，模式祸合主要发生于基模的正向模与反向模之间，见图2一2[36]。~一竺二红一(一心·“·】一“一“‘’~“一二二二二二二二二二氏曰州为沙李二，二嘴林、‘价房小“姗二净呻沁‘，屯)水二沁一今日2尤飞塾丛宜鲤:‘气凡人图2一2光纤光栅基模的正向和反向模式祸合示意图因此以下标l与2分别表示正向模与反向模，进行光纤光栅的特征理论计算
【引证文献】

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2 张春霁;天津财经大学计算机机房管理系统的分析设计与实现[D];电子科技大学;2011年

3 黄忠;风力发电机复合材料叶片的结构应力分析和健康监测[D];哈尔滨工业大学;2010年

4 许剑;光纤布拉格光栅盐度传感器[D];大连理工大学;2012年

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6 周怡妃;基于光纤Bragg光栅的湿度及主动监测系统的研究[D];南京航空航天大学;2012年

7 赵海培;水下柱状结构的局部冲刷监测方法研究[D];大连理工大学;2013年

本文编号：2884158