光纤光栅渗压传感器及其温度补偿性能的研究

摘要

传统的渗压监测系统采用的机电测试设备普遍存在抗电磁干扰能力弱、长期稳定性差、零漂和动漂较大等缺点，因此很难满足实际测量需要。近年来，光纤光栅传感技术作为新一代的智能传感技术，其结构简单、可靠性好，具有抗腐蚀、抗电磁干扰能力强，便于复用组网进行大面积测量，易于嵌入能实现结构内部测量等优势，使其在大型土木工程中的结构健康监测领域具有广阔的应用前景。虽然利用光纤光栅进行渗压测量的研究已经有所进展，但是该项领域的研究仍然有待进一步发掘，尤其是在光纤光栅渗压传感器设计的技术环节上更需要进一步提升。 本文以设计不同使用环境的光纤光栅渗压传感器并对其各项性能指标进行提高为目标，开展了以下相应的研究工作: (1)首先对前人的研究成果进行了总结分析，在压力测量领域，适用的光纤传感技术主要有EFPI、F-P和FBG传感器，以及将这些技术组合起来研制的复合传感器，对比发现，在渗压测量方面更适合选择高精度的FBG传感器，并针对已有的FBG渗压传感器的不足进行重新设计来提高传感器的性能。 (2)对光纤光栅的应变传感特性与温度传感特性进行了理论分析，深入了解其温度应变交叉敏感特性的机理，针对其交叉敏感特性，提出为了提高测量精度，在进行渗压测量时，必须要对传感器进行温度补偿，同时分析了不同的温度补偿方法，并针对具体的应用环境进行不同方法选择。 (3)以光纤光栅应变敏感特性为基础，设计了一种波纹管——等强度梁的光纤光栅渗压传感器和一种平膜片结构的光纤光栅渗压传感器。分别从理论上建立了差动结构传感模型和拉杆结构传感模型进行温度补偿，分析了各个主要敏感元件的力学性能，并利用SolidWorks和ANSYS软件建模仿真，确定各个元件的具体参数。 (4)根据设计的图纸对两种传感器进行加工组装以及FBG的粘贴，将研制完成的传感器进行各项性能测试。分别设计了压力实验和温度补偿实验，从实验中得出，两种传感器都具有良好的压力传感特性，并通过温度补偿结构，使传感器的线性度、重复性和迟滞特性都得到了很大提升，从而大大提升了传感器的测量精度。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 国内外同类课题研究现状及发展趋势

1.3 本文的主要研究内容及创新点

第2章 光纤光栅传感原理与温度补偿方法

2.1 引言

2.2 光纤光栅的传感原理

2.3 温度补偿方法

2.4 光纤Bragg光栅解调的基本原理

2.5 本章小结

第3章 差动式光纤光栅渗压传感器及其温度补偿性能

3.1 传感器设计的理论分析

3.2 传感器的参数选择与研制过程

3.3 传感器的实验测量与性能分析

3.4 本章小结

第4章 膜片式光纤光栅渗压传感器及其温度补偿性能

4.1 传感器设计的理论分析

4.2 传感器的研制过程

4.3 传感器的实验测量与数据分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录