新型光纤光栅传感技术研究

【摘要】光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)作为目前最具发展前途的光纤无源器件之一,凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、熔接损耗小、灵敏度高、体积小、易于分布式测量等优越的特性,在光纤传感领域中得到了广泛应用。利用光纤光栅进行高温安全监测具有广阔的应用前景,目前基于光纤光栅的耐温传感系统的实用化研究一直是国内外学者关注的热点；光纤光栅声发射传感技术是结合光纤光栅传感技术与声发射检测技术的优势发展起来的一种新的检测技术,在结构健康监测领域呈现出良好的发展潜力,国外已有相关研究报道,而国内关于这方面的研究还较少。本文针对目前光纤光栅在高温测量和声发射传感领域中的一些热点问题进行了理论及应用研究。在研究耐温光纤光栅传感特性及多光纤光栅解调技术的基础上,设计并实现了基于InGaAs图像传感衍射解调的新型耐温光纤光栅传感系统；建立了改进的支持度矩阵数据融合模型对传感系统的温度测量值进行处理,实现了系统的高可靠性；理论并实验研究了低幅值声发射波下,决定光纤光栅声发射传感系统响应灵敏度的关键因素；另外,采用单端光纤粘贴结构和可移动式耦合方法设计了对外界应力干扰不敏感的高灵敏度光纤光栅声发射传感器。本文的具体研究内容如下：(1)介绍了光纤布拉格光栅的发展及研究应用现状；总结和分析了光纤布拉格光栅在中高温传感领域的国内外研究进展及水平；总结归纳了目前基于光纤布拉格光栅的声发射传感方面的研究现状及发展趋势。(2)针对以往耐温光纤光栅传感系统测量精度有限、响应速度慢、抗干扰能力差等问题,深入研究耐温光纤光栅温度传感特性,在此基础上建立了光纤光栅中心波长-温度传感模型,通过设计高线性度及灵敏度、小体积的新型管式耐温光纤光栅传感器,优化耐温光纤光栅传感阵列结构和设计基于InGaAs图像传感衍射解调技术的波长解调系统,搭建了基于波长解调的新型耐温光纤光栅传感系统,克服了基于光强解调的耐温传感系统易受光路噪声干扰的缺点,传感器标定实验分析了新型耐温光栅传感器中心波长随温度的变化特性。20℃至290℃温度特性实验表明,所设计的传感系统测温曲线线性拟合度达0.9991,灵敏度为0.0258nm/℃C,测量精度达±0.6℃,响应时间小于16s；长期稳定性实验温度最大波动为±0.7℃C。该系统精确度高、稳定性好、响应时间短、抗电磁干扰能力强,十分适合应用于高温环境中温度的实时在线测量。(3)在深入研究多传感器信息融合原理的基础上,比较分析了多传感器信息融合技术中常见的实现算法,并对各算法的优缺点进行分析比较。针对传统支持度矩阵法不能表现传感器测量数据在整个量测区间可靠性的局限,建立了一种改进的支持度矩阵数据融合模型。利用改进的数据融合模型对初始数据进行处理,构建了基于改进的支持度矩阵数据融合模型的耐温光纤光栅传感系统。温度测量实验表明基于改进的支持度矩阵数据融合模型的传感系统测温估计值总绝对误差明显小于其他三种融合方法(平均值法、分批估计法、传统的支持度矩阵法)处理后的误差值。由20℃-290℃测温实验结果可以看出,基于该数据融合模型的系统测温精度高；当传感器发生故障时,构建的支持度矩阵模型稳健性良好,传感系统测温可靠性高,具有一定的推广应用价值。(4)从声发射波的检测实际需求出发,在研究光纤光栅的传输矩阵理论和声发射波与光纤光栅的相互作用原理的基础上,揭示了声发射波作用下均匀光纤光栅的折射率分布情况,建立了光纤光栅声发射波传感模型。结合实际测量的光纤光栅主要参数及仿真实验中所用到的模拟声发射波参数,实现了声发射波作用下的光纤光栅反射谱的仿真。通过仿真重点分析了声发射波的幅值及波长对光纤光栅的反射谱特性的影响,分别仿真了不同波长及幅值的声发射波作用下,一个作用周期内初始时刻光纤光栅的反射谱及一个作用周期内不同时刻光纤光栅的反射谱,并确定了声发射波的幅值、声发射波的波长与光纤光栅的栅区长度的比值关系对光纤光栅反射谱特性定性或定量的影响。上述对声发射波作用下光纤光栅反射谱数值仿真的研究,为今后利用光纤布拉格光栅进行声发射波检测提供了有效的理论基础。(5)详细分析了光纤光栅高频解调法的解调原理和优缺点,搭建了基于可调谐窄带激光器的光纤光栅声发射传感系统,该传感系统具有结构简单、波长分辨率高、解调速度快及灵敏度高等特点。深入研究了光纤光栅的栅长对声发射传感系统响应灵敏度的影响,建立了低幅值声发射波作用下光纤光栅声发射传感系统响应灵敏度检测模型,研究了影响基于不同栅长光纤光栅的声发射传感系统灵敏度的主要因素,利用不同栅长的光纤光栅进行声发射检测实验,实验结果与数值仿真的结果相符,结果表明在声发射波的幅值小于15με时,光纤光栅反射谱边沿斜率是影响传感系统的响应灵敏度的主要因素。(6)采用单端光纤粘贴结构和可移动式耦合方法设计了新型的高灵敏度谐振式光纤光栅声发射传感器,对具有不同传感长度的新型谐振式光纤光栅声发射传感器进行响应特性实验,实验结果表明,随着传感长度的增加,传感器的一阶谐振频率逐渐减小,且一阶频率理论值与实验值相吻合,误差均小于±2kHz；随着传感长度的减小,传感器一阶谐振峰6dB带宽逐渐增加,并且检测到的谐振峰带宽均小于7.5kHz。拉伸实验证明新型传感器对施加到检测结构上的应变干扰不灵敏,并且能够对检测位置进行重新布局。与传统结构光纤光栅声发射传感器的对比实验表明,新型结构传感器的响应灵敏度提高了1.2倍,且具有良好的谐振频率响应特性。
【作者】庞丹丹；
【导师】隋青美；
【作者基本信息】山东大学，检测技术与自动化装置，2014，博士
【关键词】光纤光栅传感器；温度传感器；多传感器信息融合技术；声发射；光谱仿真；

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