面向静冰压力检测的光纤F-P传感器设计及性能研究

摘要

静冰压力是水工建筑的主要控制荷载，是检测冰力学强度及其变化规律的主要依据。实时有效地检测冰压力，获得冰层生消及温度变化过程中静冰压力变化是重要的。相比传统电测量方法，光纤传感器凭借其结构紧凑、重量轻、绝缘、抗干扰能力强、多点检测、无需通电、长距离监测的优点，可以应用在恶劣环境下且性能优越。非常适合于静态压力的自动、连续和实时观测。
　　本论文提出基于外径相同的单模光纤和玻璃管为材料制作的两种光纤F-P结构。分别是采用气体膨胀辅助技术制备的光纤单端空心微泡结构和采用高精度光纤切割平台技术制备的光纤-玻璃管-光纤结构。因冰体积膨胀产生挤压而导致传感器的形变，通过多通道静态分析系统解调传感器反射谱中心波长的位移来检测冰压的变化。为了得到准确有效的数据，首先用Bragg光栅传感器作为静态标定，消除温度对光栅传感器的影响，获得Bragg光栅的应变量和Bragg光栅反射峰中心波长之间的关系。
　　本论文采用金属管/PDMS/AB胶组合方法对光纤F-P传感器进行了封装，通过对干涉谱波峰波长的追踪就可以方便地对应变进行测量。由实验结果可以得出，光栅在-7℃时受到的压应变最大，而光纤微泡结构由光栅应变标定实验可以得到应变与中心波长变化的关系。但由于冰应变是一个复杂的过程，应变的变化并不一定是线性变化的。由实验可以看出此结构在静冰压力检测中具有良好的发展前景。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1静冰压力研究现状

1．2．2光纤F-P压力传感技术的研究现状

1．2．3光纤光栅压力传感技术的研究现状

1．3研究目的及章节安排

2光纤F-P传感器的基本原理

2．1光纤F-P传感器干涉原理

2．2光纤F-P传感器的分类

2．2．1 本征型F-P光纤传感器

2．2．2非本征型F-P光纤传感器

2．2．3线性复合腔F-P传感器

2．3本章小结

3光纤光栅静冰压力传感器的工作原理及实验标定

3．1 Bragg光栅传感器

3．1．1 Bragg光栅结构传感原理

3．1．2应变传感原理

3．1．3温度传感原理

3．1．4应变一温度耦合传感原理

3．2 Bragg光栅温度／应变双光栅测量方法

3．2．1 Bragg光栅温度传感器

3．2．2 Bragg光栅应变传感器

3．3性能指标分析

3．4实验结果分析

3．5本章小结

4光纤F-P静冰压力传感器制备与特性实验

4．1 基于微泡结构的光纤F-P静冰压力传感器

4．1．1光纤微泡结构制备

4．1．2双波干涉原理

4．2基于光纤-玻璃管-光纤的光纤F-P静冰压力传感器

4．3静冰压力传感器的封装

4．4静冰压力传感器的实验结果

4．5 ANSYS有限元模拟分析

4．6本章小结

5总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢