基于光纤光栅传感技术的静冰压力传感系统设计与实验

发布时间：2017-05-11 16:00

  本文关键词：基于光纤光栅传感技术的静冰压力传感系统设计与实验，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：冬季结冰现象普遍存在于我国北方及许多高纬度国家与地区。进入冬季后,随着气温降低,河道、湖泊、水库等冰层逐渐生成,当冰层达到一定厚度后,在气温升高的时期,冰层会产生巨大的膨胀力,给水工建筑与设备带来压力(即本文所说的静冰压力)。这种压力对水工建筑与设备的安全运行带来极大的威胁,甚至灾害。因此,实时、准确地检测并获取静冰压力的数值是水工建筑与设备设计,冰压灾害预报必须考虑的一个重要指标,是冰工程领域急需的一项技术。静冰压力检测是一个涉及热学、工程力学、气象学等多学科交叉的技术问题,研究虽有难度,但具有十分重要的理论与工程应用价值。近年来,光纤光栅的制作工艺和解调仪器逐渐商业化,光纤光栅越来越多地应用到传感领域。目前,现有的压力传感器大多是基于电阻或电感测量原理,以电信号的形式传递给相应的检测仪器进行采集,保存。光纤光栅本身具有耐腐蚀,抗寒,防潮,抗电磁干扰,可进行复用等优点。相对传统的电类传感器而言,在进行压力传感时,光纤光栅可适用于各种恶劣的现场检测环境,同时检测精度高,可靠性好,非常适合对静冰压力进行检测。综合以往静冰压力检测的相关知识,运用新型的光纤光栅传感元件,本文设计了基于光纤布拉格光栅传感系统,对实验室条件下的静冰压力进行了检测试验研究。论文主要研究内容包括:(1)通过阅读大量文献,系统地阐释了静冰压力的研究背景和产生原理。搜集了国内外的静冰压力检测的相关资料,总结了现有的静冰压力检测方法,并对研究成果进行了客观的分析。在总结前人研究成果的基础上,结合近十几年快速发展的光纤光栅相关技术,提出了一种实现静冰压力检测的新思路;(2)从理论上介绍了非线性克尔效应混沌产生原理,并搭建了混沌光源产生系统。通过环形腔内激光器激励电流的调节和偏振器偏振态的调节,形成了混沌激光,为解调系统提供了光源;(3)利用压电陶瓷的磁致伸缩效应,将光纤光栅固定在压电陶瓷上,通过腔长的改变来控制透射光的中心波长,实现了对系统光源的可调谐滤波。通过驱动电源的设计实现了对压电陶瓷的驱动;(4)通过对不同温度传感元件的比较,最终选用高精度热敏电阻作为温度传感器。利用高性能数字温度测量芯片LTC2983组成实时高精度温度测量系统。通过对系统实时温度的测量,进而对整个静冰压力检测系统进行温度补偿;(5)利用设计的光纤布拉格光栅静冰压力传感系统对实验室条件下的静冰压力进行了检测。通过对光纤布拉格光栅中心波长的解调,获得被测静冰压力的理论值。试验中通过温度补偿,剔除了温度变化对静冰压力检测精度的影响。本文的研究为静冰压力的现场实时检测提供了一种全新的途径。
【关键词】：静冰压力 光纤布拉格光栅 温度补偿 混沌光源 解调
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题研究的目的与意义10-12
• 1.2 静冰压力检测技术研究的国内外现状12-14
• 1.2.1 国外静冰压力研究现状12-13
• 1.2.2 国内静冰压力研究现状13-14
• 1.3 布拉格光纤光栅压力传感技术研究现状14-18
• 1.3.1 光纤光栅传感器概述14-15
• 1.3.2 光纤光栅传感器的应用15-17
• 1.3.3 光纤光栅压力传感技术研究现状17-18
• 1.4 本文研究的主要内容18-20
• 第二章 光纤布拉格光栅传感原理20-32
• 2.1 光纤光栅的分类20-22
• 2.1.1 均匀光纤光栅20-21
• 2.1.2 非均匀光纤光栅21-22
• 2.2 光纤光栅理论22-26
• 2.2.1 光纤光栅理论概述22-23
• 2.2.2 光纤布拉格光栅耦合模理论23-26
• 2.3 光纤布拉格光栅的基本结构与传感原理26-32
• 2.3.1 温度传感原理26-27
• 2.3.2 应变传感原理27-28
• 2.3.3 交叉解敏28-32
• 第三章 静冰压力传感系统的光源和解调系统的研究32-40
• 3.1 非线性克尔效应混沌光源产生模型32-34
• 3.2 光纤光栅传感常用解调技术34-37
• 3.2.1 光谱仪解调法34
• 3.2.2 匹配Bragg光栅滤波法34-35
• 3.2.3 可调谐Fabry-Perot(F-P)滤波法35-36
• 3.2.4 可调谐光源扫描法36-37
• 3.3 混沌互相关定点解调系统37-40
• 第四章 布拉格光纤光栅静冰压力传感系统及其功能模块的实现40-58
• 4.1 布拉格光纤光栅静冰压力检测系统的整体硬件构成40-41
• 4.2 系统混沌光源41-42
• 4.3 可调谐滤波器42-47
• 4.3.1 压电陶瓷位移原理43
• 4.3.2 高压运放式压电陶瓷驱动电源的组成43-44
• 4.3.3 高压运算放大电路参数设置及分析44-47
• 4.4 高精度实时温度检测47-54
• 4.4.1 温度检测元件热敏电阻48-49
• 4.4.2 高性能数字温度测量电路芯片LTC298349-51
• 4.4.3 温度检测系统51-54
• 4.5 光纤布拉格光栅的封装和增敏54-58
• 4.5.1 封装技术55-56
• 4.5.2 封装材料56-58
• 第五章 静冰压力传感系统实验及数据分析58-64
• 5.1 实验室静冰压力传感实验58-60
• 5.2 温度补偿实验60-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64-65
• 6.2 存在的不足及今后研究工作的展望65-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖情况72

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本文编号：357555