高灵敏度光纤布拉格光栅应变传感器研究

摘要

光纤传感技术是一门近十几年新兴的、多学科交叉的高科技应用技术。以传感技术为核心的结构健康监测逐渐成为结构工程学科的一个重要研究方向。在各种光纤传感器中，光纤光栅传感器由于适用于恶劣环境下的长期监测，成为最具发展前景的电传感器的替代品。
　　本论文针对目前大型工程结构健康监测工作的必要性，研究了一种适用于石油钻井平台的高灵敏度光纤布拉格光栅应变传感器结构，提出了一种适用于不同工程的传感器结构分析方法。为后续研究人员在该领域的探索提供了一定的参考。本文主要内容有：
　　（1）提出了一种具有高灵敏度的 FBG应变传感器结构，介绍了其增敏原理和封装工艺。用ANSYS有限元分析软件对传统“工”字型FBG应变片结构以及改进后的应变片结构分别进行了建模和静力仿真，得到其应力分布和光栅区域的应变情况并进行对比，在整体宽度与厚度相等的情况下，此结构对应力的传递效果远远优于传统“工”字型结构。
　　（2）提出一种结构分析方法，通过详细的数值分析，研究应变传感器结构6个关键参数对灵敏度的影响，为工程不同应用场合的结构选型提供依据。
　　（3）加工了不同尺寸参数的应变片，采用不同的工艺对 FBG进行封装后，对传感器的灵敏度进行测试，结果显示这种高灵敏度结构可将光栅的应变灵敏度放大到4倍左右，并用得到的数据与仿真结果进行对比、分析误差原因，验证了仿真方法和仿真结果的可靠性与准确性。介绍了高灵敏度光纤布拉格光栅应变传感器在工程中的应用情况。
　　（4）在高灵敏度结构基础上研究了适用于海洋环境的耐腐蚀非金属材料属性。（5）选用三种不同的耐腐蚀非金属材料分别封装 FBG制成应变传感器，通过ANSYS分析和样品实测得到三种材料传感器的应变灵敏度分别为：3.76 pm/με、3.02 pm/με和3.03 pm/με，最后根据其各自的特性分析了耐腐蚀材料在工程中的实用性。

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第一章 绪 论

1.1 光纤传感技术研究现状

1.2 光纤传感器在结构健康监测中的研究和应用现状

1.3 本论文研究的目的和意义

1.4 本论文研究内容

第二章 光纤布拉格光栅应变传感原理

2.1 光纤布拉格光栅工作原理

2.2 光纤布拉格光栅应变传感器封装工艺现状

2.3 本章小结

第三章 高灵敏度光纤光栅应变传感器结构分析

3.1 高灵敏度光纤光栅应变传感器结构设计原理

3.2 高灵敏度光纤光栅应变传感器封装过程

3.3 高灵敏度光纤光栅应变传感器结构的有限元分析

3.4 高灵敏度光纤光栅应变传感器应变特性实验

3.5 高灵敏度光纤光栅应变传感器的工程应用

3.6 本章小结

第四章 非金属光纤光栅应变传感器材料性能分析

4.1 海洋环境下的传感器材料选用原则

4.2 非金属材料封装光纤布拉格光栅应变传感器研究现状

4.3 不同非金属材料封装传感器应变特性的有限元分析

4.4 不同非金属材料封装传感器应变特性实验及比较

4.5 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果