基于分布式加热光纤的相似材料含水率监测方法及应用研究
发布时间：2021-02-23 07:50
相似材料物理模型试验被视为解决岩石力学和矿业工程学科等相关问题的重要手段之一,而含水率是相似模型的基本物理量,模型内部含水率的分布状态对模型试验的相似性和精准度起到决定性作用。一方面本文中引入基于拉曼散射原理的光时域反射技术（Roman Optical Time Domain Reflectometry,ROTDR）,同时结合主动加热式碳纤维光纤（Active Heating Carbon Optical Fiber,AH-COF）含水率监测方法对模型养护过程中各时期水分场的分布状态进行无干扰、实时监测;另一方面通过试件试验构建相似材料含水率与其力学性质之间的数学模型,对优化物理模型试验过程,提高模型试验的模拟精度起到了关键性作用。本文阐述了主动加热式碳纤维光纤含水率监测方法的基本原理,提出了稳定温升值的概念。结合传热学原理从微观角度解释了加热过程中光纤的稳定温升值与相似材料导热系数之间的关系,进而得到相似材料导热系数与含水率之间的关系。设计了 AH-COF含水率监测系统,并对系统中的设备进行模块化分类,将该系统分为供热模块、传感模块及数据处理模块三部分。详细说明了每一部分的工作原理,...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线
2AH-COF含水率监测原理及系统设计11式中：a为介质的热扩散系数，a/c。图2.1传热模型线热源单位时间内产生的热量一部分被保护层吸收，另一部分传递到相似材料中：P0bQQQ（2.3）式中：QP为加热功率，W/m；Q0为单位时间内单位长度光纤保护层与相似材料之间的传热量（K）；Qb为单位时间内单位长度保护层自身所带热量。显然：1rtbbdQcdt（2.4）式中：kc为光纤保护层的热容量。同时，根据傅里叶定律得[78]：1102rTrTQdrdTr（2.5）式中：为方形筒壁内桩身介质导热系数，进一步转化得出：102rrQrr（2.6）式（2.2）中的边界条件满足：01110020rrtrrbrtdrcrrrdtr（2.7）
西安科技大学硕士学位论文14可算出该测量点处多孔介质相似材料的含水率。故当相似材料类型配比不同时，需对式（2.20）中的k1、k2值进行重新标定。2.3DTS测温原理根据量子力学的相关原理可知，光是由一系列的光子集合构成的，且这些光子均含有一定能量，进而光在光纤中传播的时候光纤分子会与其发生不同程度的碰撞，在碰撞过程中一般会出现以下两种情况：一种为光子自身携带的能量被光纤分子吸收，其自身能量会减小，频率减小；另一种为光子与分子在发生碰撞的过程中，光子从分子中吸收了部分能量，随后光子能量增加，频率变大[80]。为了将两者碰撞时互相的能量转换过程更加清晰可视，此处引入能级跃迀图加以说明，如图所示。图2.2拉曼散射能量图谱当含有hv0能量的光子进入光纤与处在E1状态的光纤SiO2分子发生碰撞时，E1状态的SiO2分子获得光子的部分能量后，跃升到Ea状态，a10EEhv，但是Ea状态下的SiO2分子又极其不稳定，为了回到稳定状态的现阶段SiO2分子会释放出shv的能量回到E2状态，2asEEhv，综上所述：21s0EEvvh（2.21）式中vs为Stokes拉曼散射光频率。当携带有hv0能量的光子进入光纤与处在E2状态的光纤SiO2分子碰撞时，E2状态的光纤SiO2分子吸收能量，上升到Eb状态，b20EEhv，相应的在该状态下光纤SiO2分子极不稳定，为了回到稳定状态，Eb状态的光纤SiO2分子会释放出AShv的能量回到E1状态，1bASEEhv，因此这个过程有：21AS0EEvvh（2.22）式中vAS为Anti-Stokes拉曼散射光频率。由vs和vAS便可计算得到斯托克斯光与反斯托克斯光之间的光强比值，通过该比值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 胡优,李敏,任姮烨,司炳成. 农业工程学报. 2019(10)
[2]不同含水状态下泥岩的力学性质及能量特征[J]. 蒋景东,陈生水,徐婕,刘泉声. 煤炭学报. 2018(08)
[3]不同含水率煤体单轴压缩力学特性及损伤统计模型研究[J]. 王凯,蒋一峰,徐超. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[4]含水量对细粒沉积岩力学性质及变形特性的影响研究[J]. 邹晨阳,陈芳,叶霞. 水力发电. 2018(01)
[5]基于光纤检测技术的夹泥灌注桩模型试验[J]. 雷文凯,肖衡林,张金团,刘永莉,范萌. 岩土力学. 2018(03)
[6]不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究[J]. 王鹏,舒才,施峰,胡国忠,王宏图. 岩土力学. 2017(S2)
[7]FDR土壤湿度传感器的温度补偿模型研究[J]. 张健,谢守勇,刘军,陈翀,赵镭. 农机化研究. 2018(04)
[8]基于光纤系统的物理相似模型温度分布与演化特征[J]. 柴敬,刘奇,张丁丁,宋军,李毅,袁强. 煤炭学报. 2017(05)
[9]面向分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法[J]. 张明江,李健,刘毅,张建忠,李云亭,黄琦,刘瑞霞,杨帅军. 中国激光. 2017(03)
[10]新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用[J]. 郭佳,王振营,郑育锁,刘志杰,袁枫,文晓明. 中国土壤与肥料. 2016(06)
博士论文
[1]多孔介质相似材料的热湿场分布特征研究[D]. 刘奇.西安科技大学 2018
[2]分布式光纤拉曼温度传感系统信号处理及性能提升[D]. 王宗良.山东大学 2015
[3]全分布式光纤传感器系统研究[D]. 耿军平.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]含水率对相似材料模型强度的影响规律研究[D]. 范国涛.西安科技大学 2019
[2]基于嵌入式的光纤光栅解调系统[D]. 胡元华.南昌航空大学 2017
[3]分布式光纤拉曼测温系统解调方法及可靠性研究[D]. 罗沙.山东大学 2015
[4]基于RAMAN散射的分布式光纤温度传感装置的研究与实现[D]. 孙国善.华北电力大学（河北） 2010
[5]基于激光二极管光源的近红外水分仪的研制[D]. 肖颖.江苏大学 2009
[6]分布式拉曼光纤温度传感系统的研究[D]. 徐子珩.华中科技大学 2009
[7]分布式光纤温度传感器信号处理的研究[D]. 王喜光.燕山大学 2006
本文编号：3047255
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线
2AH-COF含水率监测原理及系统设计11式中：a为介质的热扩散系数，a/c。图2.1传热模型线热源单位时间内产生的热量一部分被保护层吸收，另一部分传递到相似材料中：P0bQQQ（2.3）式中：QP为加热功率，W/m；Q0为单位时间内单位长度光纤保护层与相似材料之间的传热量（K）；Qb为单位时间内单位长度保护层自身所带热量。显然：1rtbbdQcdt（2.4）式中：kc为光纤保护层的热容量。同时，根据傅里叶定律得[78]：1102rTrTQdrdTr（2.5）式中：为方形筒壁内桩身介质导热系数，进一步转化得出：102rrQrr（2.6）式（2.2）中的边界条件满足：01110020rrtrrbrtdrcrrrdtr（2.7）
西安科技大学硕士学位论文14可算出该测量点处多孔介质相似材料的含水率。故当相似材料类型配比不同时，需对式（2.20）中的k1、k2值进行重新标定。2.3DTS测温原理根据量子力学的相关原理可知，光是由一系列的光子集合构成的，且这些光子均含有一定能量，进而光在光纤中传播的时候光纤分子会与其发生不同程度的碰撞，在碰撞过程中一般会出现以下两种情况：一种为光子自身携带的能量被光纤分子吸收，其自身能量会减小，频率减小；另一种为光子与分子在发生碰撞的过程中，光子从分子中吸收了部分能量，随后光子能量增加，频率变大[80]。为了将两者碰撞时互相的能量转换过程更加清晰可视，此处引入能级跃迀图加以说明，如图所示。图2.2拉曼散射能量图谱当含有hv0能量的光子进入光纤与处在E1状态的光纤SiO2分子发生碰撞时，E1状态的SiO2分子获得光子的部分能量后，跃升到Ea状态，a10EEhv，但是Ea状态下的SiO2分子又极其不稳定，为了回到稳定状态的现阶段SiO2分子会释放出shv的能量回到E2状态，2asEEhv，综上所述：21s0EEvvh（2.21）式中vs为Stokes拉曼散射光频率。当携带有hv0能量的光子进入光纤与处在E2状态的光纤SiO2分子碰撞时，E2状态的光纤SiO2分子吸收能量，上升到Eb状态，b20EEhv，相应的在该状态下光纤SiO2分子极不稳定，为了回到稳定状态，Eb状态的光纤SiO2分子会释放出AShv的能量回到E1状态，1bASEEhv，因此这个过程有：21AS0EEvvh（2.22）式中vAS为Anti-Stokes拉曼散射光频率。由vs和vAS便可计算得到斯托克斯光与反斯托克斯光之间的光强比值，通过该比值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于加热光纤分布式温度传感器的土壤含水率测定方法[J]. 胡优,李敏,任姮烨,司炳成. 农业工程学报. 2019(10)
[2]不同含水状态下泥岩的力学性质及能量特征[J]. 蒋景东,陈生水,徐婕,刘泉声. 煤炭学报. 2018(08)
[3]不同含水率煤体单轴压缩力学特性及损伤统计模型研究[J]. 王凯,蒋一峰,徐超. 岩石力学与工程学报. 2018(05)
[4]含水量对细粒沉积岩力学性质及变形特性的影响研究[J]. 邹晨阳,陈芳,叶霞. 水力发电. 2018(01)
[5]基于光纤检测技术的夹泥灌注桩模型试验[J]. 雷文凯,肖衡林,张金团,刘永莉,范萌. 岩土力学. 2018(03)
[6]不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究[J]. 王鹏,舒才,施峰,胡国忠,王宏图. 岩土力学. 2017(S2)
[7]FDR土壤湿度传感器的温度补偿模型研究[J]. 张健,谢守勇,刘军,陈翀,赵镭. 农机化研究. 2018(04)
[8]基于光纤系统的物理相似模型温度分布与演化特征[J]. 柴敬,刘奇,张丁丁,宋军,李毅,袁强. 煤炭学报. 2017(05)
[9]面向分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法[J]. 张明江,李健,刘毅,张建忠,李云亭,黄琦,刘瑞霞,杨帅军. 中国激光. 2017(03)
[10]新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用[J]. 郭佳,王振营,郑育锁,刘志杰,袁枫,文晓明. 中国土壤与肥料. 2016(06)
博士论文
[1]多孔介质相似材料的热湿场分布特征研究[D]. 刘奇.西安科技大学 2018
[2]分布式光纤拉曼温度传感系统信号处理及性能提升[D]. 王宗良.山东大学 2015
[3]全分布式光纤传感器系统研究[D]. 耿军平.西北工业大学 2002
硕士论文
[1]含水率对相似材料模型强度的影响规律研究[D]. 范国涛.西安科技大学 2019
[2]基于嵌入式的光纤光栅解调系统[D]. 胡元华.南昌航空大学 2017
[3]分布式光纤拉曼测温系统解调方法及可靠性研究[D]. 罗沙.山东大学 2015
[4]基于RAMAN散射的分布式光纤温度传感装置的研究与实现[D]. 孙国善.华北电力大学（河北） 2010
[5]基于激光二极管光源的近红外水分仪的研制[D]. 肖颖.江苏大学 2009
[6]分布式拉曼光纤温度传感系统的研究[D]. 徐子珩.华中科技大学 2009
[7]分布式光纤温度传感器信号处理的研究[D]. 王喜光.燕山大学 2006
本文编号：3047255
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