热力耦合下光纤光栅传感器的理论研究与设计

摘要

耦合问题广泛的存在于自然界和工程实践中。重大机械装备正朝着连续化、高速化、高效化、多功能化、精细化和自动化方向发展，一方面，产生了巨大的社会经济效益，同时装备的工况环境也更加严酷，表现为各种物理场的耦合。如何解决强耦合下的机械装备的可靠监测也越来越受到人们的重视。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、柔韧性好，抗电磁干扰和化学腐蚀等优点，非常适合用来对机械装备进行安全监测。但现有的光纤光栅应变传感器的研究还只是停留在单一物理场影响的前提下进行研究，亟待对多物理场耦合下的光纤光栅传感器进行研究。
　　本论文基于光纤光栅传感器的基本理论、基础实验，结合有限元分析方法，从材料、结构等方面探讨多场耦合特别是热力耦合下光纤光栅应变传感器的设计理论与方法。本论文主要做了以下几个方面的工作：
　　1.系统分析了多场耦合理论的国内外研究现状，对现有的传感器的耦合理论进行研究和总结。
　　2.对光纤光栅的传感原理进行研究，阐述了光纤光栅传感器应变传感、温度传感以及应变-温度传感三种数学模型，为后续的研究提供理论基础。
　　3.基于传感器的传感理论，建立光纤光栅应变传感器的数学模型。对传感器弹性体的材料、结构进行研究，建立弹性体结构的有限元模型，通过对弹性体的静态特性、动态特性、热特性以及热力耦合四种特性的分析，分析弹性体结构中的典型螺孔、回形槽对热应力分布的影响，得到热力耦合下传感器的设计理论与方法。
　　4.通过对封装好的应变传感器进行应变、温度、热力耦合等一系列验证性实验，分析传感器的重复特性、线性特性、迟滞特性、温度特性等性能，对热力耦合下应变传感器的灵敏度与温度之间的变化规律进行研究，实验表明光纤光栅应变传感器能够满足热力耦合环境下应变的测量。

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第1章 绪 论

1.1课题的研究目的和意义

1.2多场耦合理论的发展与国内外的研究现状

1.3光纤光栅传感技术的研究

1.4本文的主要研究内容

第2章 光纤光栅传感器的理论研究

2.1光纤光栅传感基本理论分析

2.2光纤光栅传感模型研究

2.3本章小结

第3章 热力耦合下光纤光栅应变传感器的研究

3.1传感器的设计原则

3.2应变传递理论

3.3弹性体的有限元分析

3.4热力耦合下光纤光栅传感器设计基本原则和方法

3.5本章小结

第4章 光纤光栅传感器的实验分析

4.1应变特性研究

4.2温度特性研究

4.3应力—温度耦合特性研究

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1本论文的研究总结

5.2本论文的未来工作

致谢

参考文献