线性工程变形场监测的光纤光栅传感理论及关键技术研究
发布时间：2021-09-30 18:47
近年来我国的水利水电、铁路公路、市政工程等领域的设施建设快速发展,一大批高陡边坡、大跨度桥梁、水库大坝、深长隧道等线性工程陆续投入建设或运行。线性工程具有纵向长度长、横向展布小、分布范围广、服役时间长以及运营环境复杂等特点,由于水文、地震、材料腐蚀老化、施工质量、运行管理不当等因素的影响,部分工程设施存在裂缝和病变等不安全因素,因此在一定程度上影响工程安全运营。长时间的疲劳和不健康状态下运营导致事故频发,造成大量人员伤亡和巨大经济损失,严重制约经济建设与社会发展。线性工程灾害初期有较强的隐蔽性、事故突发性强、造成后果严重,因此研究适用于线性工程结构的高精度传感理论以及开发先进的监测设备和测量系统,是有效保证线性工程安全运营、减少灾害发生的关键举措。光纤传感技术具有测量精度高、复用能力强、信号传输距离远等优势受到国内外研究人员的青睐。但是目前用于线性工程结构安全监测的光纤光栅传感技术还存在一定不足:大多数光纤光栅传感器只是采用点式监测与工程结构稳定性相关的倾角、位移、压力、应变等力学参数,不适合用于结构整体位移场的测量和变形面的定位;对于造成柔性光纤光栅传感器测量误差的因素,比如传感点与...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：204 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１所示，其主体结构为纯石英构成的纤芯和包??
山东大学博士学位论文??在恶劣环境下的使用寿命。本文采用的是单模光纤，其纤芯和包层直径一般分别??为?８／ｍｉ?和?１２５／ｒｎｉ。??＾?个〇阶／???＋１阶、、、干涉，ｙ?／－】阶??????＼?／????＼?ｉ?／衍射光束??相位梭板?＼ｙ??丨丨丨丨丨丨》卜光线??图２．２相位掩模法刻写光栅示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｔｉｎｇ?ｗｒｉｔｉｎｇ?ｂｙ?ｐｈａｓｅ?ｍａｓｋ?ｍｅｔｈｏｄ??光纤光栅的制作写入技术逐渐完善，主要有干涉写入法、逐点写入法、相位??掩模技术、振幅掩模技术以及全息成栅技术等［１７７］。其中相位掩模法是目前光纤??布拉格光栅制作最常用的方法，如图２．２所示，紫外光束透过相位掩模板形成衍??射光束照射裸光纤，光纤纤芯经过±丨阶衍射光束形成的空间干涉条纹照射一定??时间后，其折射率发生永久性的改变并形成周期性调制。??耦合模理论分析方法与传输矩阵法是研究分析光波在光纤光栅中传播特性??最广泛应用的方法［１７８］。其中耦合模理论分析法是最基础的方法在研究光的传输??特性和传播规律方面，尤其是对于均匀周期的光栅，通过分析计算可得出光栅反??射率的表达式。传输矩阵法是基于微积分的思想，将非均匀周期光栅的折射率分??成多个微段，每一微段看成均匀的，然后各均匀微段的矩阵相乘得到整体传输矩??阵，该方法适用于各类型周期的光栅均匀或者非均匀受力的情况。??（ａ）耦合模理论分析法??：：３ｗｗｗ＼ｊａ＾??ｚ＝０?ｚ＝Ｌ?＾??ｍｍｍｉｕｎｉｉｍｍｄ??＿一?＿?Ｔ?—?一?々）??图２．３光纤光栅耦合模示意图??Ｆｉ
山东大学博士学位论文??在恶劣环境下的使用寿命。本文采用的是单模光纤，其纤芯和包层直径一般分别??为?８／ｍｉ?和?１２５／ｒｎｉ。??＾?个〇阶／???＋１阶、、、干涉，ｙ?／－】阶??????＼?／????＼?ｉ?／衍射光束??相位梭板?＼ｙ??丨丨丨丨丨丨》卜光线??图２．２相位掩模法刻写光栅示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｔｉｎｇ?ｗｒｉｔｉｎｇ?ｂｙ?ｐｈａｓｅ?ｍａｓｋ?ｍｅｔｈｏｄ??光纤光栅的制作写入技术逐渐完善，主要有干涉写入法、逐点写入法、相位??掩模技术、振幅掩模技术以及全息成栅技术等［１７７］。其中相位掩模法是目前光纤??布拉格光栅制作最常用的方法，如图２．２所示，紫外光束透过相位掩模板形成衍??射光束照射裸光纤，光纤纤芯经过±丨阶衍射光束形成的空间干涉条纹照射一定??时间后，其折射率发生永久性的改变并形成周期性调制。??耦合模理论分析方法与传输矩阵法是研究分析光波在光纤光栅中传播特性??最广泛应用的方法［１７８］。其中耦合模理论分析法是最基础的方法在研究光的传输??特性和传播规律方面，尤其是对于均匀周期的光栅，通过分析计算可得出光栅反??射率的表达式。传输矩阵法是基于微积分的思想，将非均匀周期光栅的折射率分??成多个微段，每一微段看成均匀的，然后各均匀微段的矩阵相乘得到整体传输矩??阵，该方法适用于各类型周期的光栅均匀或者非均匀受力的情况。??（ａ）耦合模理论分析法??：：３ｗｗｗ＼ｊａ＾??ｚ＝０?ｚ＝Ｌ?＾??ｍｍｍｉｕｎｉｉｍｍｄ??＿一?＿?Ｔ?—?一?々）??图２．３光纤光栅耦合模示意图??Ｆｉ
【参考文献】：
期刊论文
[1]截至2019年底中国铁路隧道情况统计[J]. 田四明,巩江峰. 隧道建设(中英文). 2020(02)
[2]微型光纤光栅土压力传感器量程及其过载能力分析研究[J]. 蒋善超,陈永明,王宁,田长彬. 自动化与仪器仪表. 2020(01)
[3]三维激光扫描技术在城市隧洞形变监测中的应用[J]. 李建刚. 北京测绘. 2020(01)
[4]胶粘剂对表贴式聚酰亚胺光纤布拉格光栅应变传递的影响分析[J]. 曾鹏,王源,陈飞琼,孙阳阳,张清华,黄肖迪,由泽伟. 传感技术学报. 2019(01)
[5]温度精度补偿的光纤光栅土压力传感器[J]. 吴国军,何少灵,桑卫兵. 机电工程技术. 2018(06)
[6]用于桥梁钢管混凝土裂缝监测的FBG传感器研究[J]. 田长彬,王静,张峰,隋青美,孙搏,王正方,李亦佳. 仪表技术与传感器. 2017(09)
[7]光纤布拉格光栅制作中心波长控制技术[J]. 唐健峰,季树滨,车雅良,张灵艺,张引发. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[8]差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[J]. 侯赛邦,谢涛,李川. 传感器与微系统. 2017(05)
[9]拱梁组合式光纤光栅压力传感器设计与试验研究[J]. 孙丽,李闯,张春巍,张嫚. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[10]非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定[J]. 娄小平,陈仲卿,庄炜,祝连庆. 仪器仪表学报. 2017(02)
博士论文
[1]基于传输型布拉格光纤光栅的光学计算和光脉冲整形器件的研究[D]. 刘鑫.华中科技大学 2019
[2]基于原型监测和机器学习的大跨度桥梁涡激振动研究[D]. 黎善武.哈尔滨工业大学 2019
[3]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
[4]可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究[D]. 魏巍.山东大学 2017
[5]光纤Bragg光栅监测系统研制优化及其边坡工程应用研究[D]. 蒋善超.山东大学 2016
[6]近红外光纤水气传感器的关键技术研究[D]. 王强.山东大学 2016
[7]自适应共轭梯度法的研究[D]. 董晓亮.西安电子科技大学 2015
[8]基于激光扫描技术的水库大坝三维变形动态监测方法研究[D]. 王举.郑州大学 2015
[9]求解无约束优化问题及非线性方程组的共轭梯度法[D]. 黄元元.西安电子科技大学 2014
[10]桥隧工程安全监测的光纤光栅传感理论及关键技术研究[D]. 王正方.山东大学 2014
硕士论文
[1]几种新聚类算法的研究[D]. 钟俊坤.西安电子科技大学 2018
[2]插值曲率线与特征线的B样条曲面构造[D]. 王飞.中国科学技术大学 2018
[3]线性工程施工纵向不均匀变形计算机模拟方法研究[D]. 覃柳艳.广西大学 2015
[4]舟曲某高边坡治理工程健康监测研究与分析[D]. 李京榜.兰州理工大学 2014
[5]基于次声波技术的滑坡监测预警系统研究[D]. 任际周.成都理工大学 2012
[6]高速公路高边坡FBG传感器监测及稳定性分析[D]. 裴华富.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3416444
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：204 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１所示，其主体结构为纯石英构成的纤芯和包??
山东大学博士学位论文??在恶劣环境下的使用寿命。本文采用的是单模光纤，其纤芯和包层直径一般分别??为?８／ｍｉ?和?１２５／ｒｎｉ。??＾?个〇阶／???＋１阶、、、干涉，ｙ?／－】阶??????＼?／????＼?ｉ?／衍射光束??相位梭板?＼ｙ??丨丨丨丨丨丨》卜光线??图２．２相位掩模法刻写光栅示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｔｉｎｇ?ｗｒｉｔｉｎｇ?ｂｙ?ｐｈａｓｅ?ｍａｓｋ?ｍｅｔｈｏｄ??光纤光栅的制作写入技术逐渐完善，主要有干涉写入法、逐点写入法、相位??掩模技术、振幅掩模技术以及全息成栅技术等［１７７］。其中相位掩模法是目前光纤??布拉格光栅制作最常用的方法，如图２．２所示，紫外光束透过相位掩模板形成衍??射光束照射裸光纤，光纤纤芯经过±丨阶衍射光束形成的空间干涉条纹照射一定??时间后，其折射率发生永久性的改变并形成周期性调制。??耦合模理论分析方法与传输矩阵法是研究分析光波在光纤光栅中传播特性??最广泛应用的方法［１７８］。其中耦合模理论分析法是最基础的方法在研究光的传输??特性和传播规律方面，尤其是对于均匀周期的光栅，通过分析计算可得出光栅反??射率的表达式。传输矩阵法是基于微积分的思想，将非均匀周期光栅的折射率分??成多个微段，每一微段看成均匀的，然后各均匀微段的矩阵相乘得到整体传输矩??阵，该方法适用于各类型周期的光栅均匀或者非均匀受力的情况。??（ａ）耦合模理论分析法??：：３ｗｗｗ＼ｊａ＾??ｚ＝０?ｚ＝Ｌ?＾??ｍｍｍｉｕｎｉｉｍｍｄ??＿一?＿?Ｔ?—?一?々）??图２．３光纤光栅耦合模示意图??Ｆｉ
山东大学博士学位论文??在恶劣环境下的使用寿命。本文采用的是单模光纤，其纤芯和包层直径一般分别??为?８／ｍｉ?和?１２５／ｒｎｉ。??＾?个〇阶／???＋１阶、、、干涉，ｙ?／－】阶??????＼?／????＼?ｉ?／衍射光束??相位梭板?＼ｙ??丨丨丨丨丨丨》卜光线??图２．２相位掩模法刻写光栅示意图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｔｉｎｇ?ｗｒｉｔｉｎｇ?ｂｙ?ｐｈａｓｅ?ｍａｓｋ?ｍｅｔｈｏｄ??光纤光栅的制作写入技术逐渐完善，主要有干涉写入法、逐点写入法、相位??掩模技术、振幅掩模技术以及全息成栅技术等［１７７］。其中相位掩模法是目前光纤??布拉格光栅制作最常用的方法，如图２．２所示，紫外光束透过相位掩模板形成衍??射光束照射裸光纤，光纤纤芯经过±丨阶衍射光束形成的空间干涉条纹照射一定??时间后，其折射率发生永久性的改变并形成周期性调制。??耦合模理论分析方法与传输矩阵法是研究分析光波在光纤光栅中传播特性??最广泛应用的方法［１７８］。其中耦合模理论分析法是最基础的方法在研究光的传输??特性和传播规律方面，尤其是对于均匀周期的光栅，通过分析计算可得出光栅反??射率的表达式。传输矩阵法是基于微积分的思想，将非均匀周期光栅的折射率分??成多个微段，每一微段看成均匀的，然后各均匀微段的矩阵相乘得到整体传输矩??阵，该方法适用于各类型周期的光栅均匀或者非均匀受力的情况。??（ａ）耦合模理论分析法??：：３ｗｗｗ＼ｊａ＾??ｚ＝０?ｚ＝Ｌ?＾??ｍｍｍｉｕｎｉｉｍｍｄ??＿一?＿?Ｔ?—?一?々）??图２．３光纤光栅耦合模示意图??Ｆｉ
【参考文献】：
期刊论文
[1]截至2019年底中国铁路隧道情况统计[J]. 田四明,巩江峰. 隧道建设(中英文). 2020(02)
[2]微型光纤光栅土压力传感器量程及其过载能力分析研究[J]. 蒋善超,陈永明,王宁,田长彬. 自动化与仪器仪表. 2020(01)
[3]三维激光扫描技术在城市隧洞形变监测中的应用[J]. 李建刚. 北京测绘. 2020(01)
[4]胶粘剂对表贴式聚酰亚胺光纤布拉格光栅应变传递的影响分析[J]. 曾鹏,王源,陈飞琼,孙阳阳,张清华,黄肖迪,由泽伟. 传感技术学报. 2019(01)
[5]温度精度补偿的光纤光栅土压力传感器[J]. 吴国军,何少灵,桑卫兵. 机电工程技术. 2018(06)
[6]用于桥梁钢管混凝土裂缝监测的FBG传感器研究[J]. 田长彬,王静,张峰,隋青美,孙搏,王正方,李亦佳. 仪表技术与传感器. 2017(09)
[7]光纤布拉格光栅制作中心波长控制技术[J]. 唐健峰,季树滨,车雅良,张灵艺,张引发. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[8]差动式杠杆增敏结构FBG倾角传感器[J]. 侯赛邦,谢涛,李川. 传感器与微系统. 2017(05)
[9]拱梁组合式光纤光栅压力传感器设计与试验研究[J]. 孙丽,李闯,张春巍,张嫚. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[10]非正交FBG柔杆空间形状重构误差分析及标定[J]. 娄小平,陈仲卿,庄炜,祝连庆. 仪器仪表学报. 2017(02)
博士论文
[1]基于传输型布拉格光纤光栅的光学计算和光脉冲整形器件的研究[D]. 刘鑫.华中科技大学 2019
[2]基于原型监测和机器学习的大跨度桥梁涡激振动研究[D]. 黎善武.哈尔滨工业大学 2019
[3]煤矿开采多参量光纤光栅智能感知理论及关键技术[D]. 梁敏富.中国矿业大学 2019
[4]可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究[D]. 魏巍.山东大学 2017
[5]光纤Bragg光栅监测系统研制优化及其边坡工程应用研究[D]. 蒋善超.山东大学 2016
[6]近红外光纤水气传感器的关键技术研究[D]. 王强.山东大学 2016
[7]自适应共轭梯度法的研究[D]. 董晓亮.西安电子科技大学 2015
[8]基于激光扫描技术的水库大坝三维变形动态监测方法研究[D]. 王举.郑州大学 2015
[9]求解无约束优化问题及非线性方程组的共轭梯度法[D]. 黄元元.西安电子科技大学 2014
[10]桥隧工程安全监测的光纤光栅传感理论及关键技术研究[D]. 王正方.山东大学 2014
硕士论文
[1]几种新聚类算法的研究[D]. 钟俊坤.西安电子科技大学 2018
[2]插值曲率线与特征线的B样条曲面构造[D]. 王飞.中国科学技术大学 2018
[3]线性工程施工纵向不均匀变形计算机模拟方法研究[D]. 覃柳艳.广西大学 2015
[4]舟曲某高边坡治理工程健康监测研究与分析[D]. 李京榜.兰州理工大学 2014
[5]基于次声波技术的滑坡监测预警系统研究[D]. 任际周.成都理工大学 2012
[6]高速公路高边坡FBG传感器监测及稳定性分析[D]. 裴华富.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3416444
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