基于反射式光强调制型光纤压力传感器（RIM-FOPS）的静冰压力检测系统的设计与应用

发布时间：2017-11-03 01:13

  本文关键词：基于反射式光强调制型光纤压力传感器（RIM-FOPS）的静冰压力检测系统的设计与应用

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【摘要】：本课题是在国家自然科学基金项目“基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究”(项目编号：51279122)资助下完成的一项技术开发型研究项目。 我国的东北、华北、西北地区，在寒冷的冬季，河道、水库等水面会形成广阔的封冻区域，位于封冻区域内的水工建筑与设备将会受到冰盖层产生的静冰压力的挤压而损坏，甚至导致水工建筑与设备的完全损坏。由于冰材料的复杂性以及地域条件的特殊性，静冰压力的检测和计算是冰力学研究的一个公认难题，由于缺乏有效的工程静冰压力检测方法与设备，使得获取实时的静冰压力现场数据非常困难且数据匮乏，因此实现对静冰压力及相关物理参数的定点连续自动检测是冰力学研究领域的一个重要内容。 综合应用光电检测的相关技术，本论文设计、研制了一种基于反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM FOPS)的静冰压力自动检测系统，该系统可用于河冰冰盖层生消过程中静冰压力值的连续检测。2014年1月至2014年3月期间，作者将新研制的静冰压力检测实验设备安装于黄河万家寨水利枢纽水库库区，进行了冬季静冰压力定点连续自动检测现场实验，同时采集了冰层厚度、气温及冰温等一系列影响静冰压力的相关物理参数并对实验数据进行了分析。大量现场数据客观反应了封冻期水库冰盖层静冰压力的变化规律，可为寒区水工建筑的设计和防护提供科学的技术数据和相关的理论依据。 本文主要完成了以下研究内容： (1)通过文献检索，，总结了静冰压力检测技术目前的研究成果和方法，收集了相关的国内外现有的预测静冰压力值的计算模型和经验公式。通过分析静冰压力的产生机理和影响静冰压力的相关物理因素，提出在检测静冰压力的同时，采集检测点处影响静冰压力大小的相关物理基本参数，包括冰层温度梯度、冰层厚度、空气温度和温升率等； (2)结合静冰压力的作用机理和静冰压力检测工程应用的特殊需求，提出了将反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM FOPS)应用于静冰压力检测系统的设计方案，针对静冰压力的特点设计了检测系统的相关结构与管理软件，如机械结构、光学系统、采集电路与系统软件等； (3)在实验室中对基于RIM FOPS的静冰压力检测系统进行了力学标定与温度补偿等实验，并将其应用于黄河万家寨水利枢纽水库冬季现场实验中，分析了现场采集到的冬季库区静冰压力、冰层厚度及冰层温度梯度等数据，对静冰压力检测技术的进一步研究提出了建议。
【关键词】：反射式光强调制型光纤压力传感器 静冰压力 水工建筑 自动检测
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P332.8;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 课题研究的目的与意义12-14
• 1.2 静冰压力检测技术研究的国内外现状14-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-18
• 第二章 静冰压力基础研究及影响因素分析18-30
• 2.1 河冰的物理力学性能概述18
• 2.2 静冰压力估算方法归纳总结18-24
• 2.3 影响静冰压力检测的相关物理因素分析及检测24-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第三章 基于反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM-FOPS)的静冰压力检测系统总体设计30-46
• 3.1 应用于静冰压力检测的光纤传感器选型与设计30-34
• 3.1.1 光纤传感器简介与分类30-33
• 3.1.2 应用于静冰压力检测的光纤压力传感器选型33-34
• 3.2 RIM-FOPS 工作原理34-39
• 3.3 RIM-FOPS 结构设计39-42
• 3.3.1 弹性平模片设计39-40
• 3.3.2 RIM-FOPS 探头的的分析与改进40-42
• 3.4 基于 RIM-FOPS 的静冰压力检测系统总体设计42-45
• 3.4.1 基于 RIM-FOPS 的静冰压力检测系统压力敏感元件结构设计42-44
• 3.4.2 基于 RIM-FOPS 的静冰压力检测系统总体结构设计44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 基于RIM-FOPS的静冰压力检测系统硬件电路设计46-60
• 4.1 系统总体电路结构设计46-47
• 4.2 光源电路模块47-52
• 4.2.1 LED 红外光源47-48
• 4.2.2 LM3402 恒流电路48-51
• 4.2.3 PWM 脉宽调制51-52
• 4.3 光电转换电路52-54
• 4.4 A/D 转换电路54-55
• 4.5 温度采集电路55-56
• 4.6 数据存储及发送电路56-58
• 4.7 MSP430 单片机控制电路58-59
• 4.8 本章小结59-60
• 第五章 基于RIM-FOPS的静冰压力检测系统软件设计60-66
• 5.1 系统主程序流程图60-61
• 5.2 温度采集子程序61-62
• 5.3 静冰压力采集子程序设计62
• 5.4 冰情远程监测数据处理系统软件设计62-63
• 5.5 本章小结63-66
• 第六章 工程应用与数据分析66-78
• 6.1 黄河万家寨水利枢纽水库静冰压力检测现场实验66-69
• 6.2 万家寨水库静冰压力估算69-70
• 6.3 引入参考测量光纤后对系统的作用70-72
• 6.4 静冰压力检测系统力学标定与温度补偿72-75
• 6.4.1 力学标定72-74
• 6.4.2 平膜片温度补偿74-75
• 6.5 静冰压力数据分析75-76
• 6.6 本章小节76-78
• 第七章 总结与展望78-80
• 7.1 课题研究工作总结78
• 7.2 问题与建议78-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 攻读硕士期间发表学术论文目录86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 魏世明;柴敬;;相似模拟实验中光纤光栅传感检测研究[J];地下空间与工程学报;2007年06期

2 徐伯孟;冰层膨胀压力的设计取值[J];冰川冻土;1987年S1期

3 张丹;水库静冰压力的计算[J];冰川冻土;1987年S1期

4 谢永刚;黑龙江省胜利水库冰盖生消规律[J];冰川冻土;1992年02期

5 李锋;马红艳;;断裂力学在冰工程中的应用[J];冰川冻土;2010年01期

6 张志律;高应俊;;干涉条纹计数法光纤液位传感器应用研究[J];传感技术学报;2008年05期

7 于天来;袁正国;黄美兰;;河冰力学性能试验研究[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2009年06期

8 张奕林,俞建荣,廖延彪,赖淑蓉;光纤压力传感器探头的设计[J];光电子·激光;2002年05期

9 刘晓洲;檀永刚;李洪升;白会人;;水库护坡静冰压力及断裂韧度测试研究[J];工程力学;2013年05期

10 吕长安;闪电河水库冰压力观测研究[J];河北水利;1996年02期

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1 贾青;寒区平原水库护坡工程设计冰参数研究[D];大连理工大学;2012年

本文编号：1133993