基于黑体光源的光纤法珀传感器高温应变测量研究

摘要

大型特种设施与装备是保证现代国防建设，保障国民生产的关键所在，其核心部件如航空发动机涡轮叶片、核电站锅炉蒸汽管道等长期工作在高温、高压的极端恶劣环境下，为确保其正常工作，需对其进行长期的结构健康监测。对比现有的监测手段，光纤法珀传感器凭借测量灵敏度高、安装尺寸小、不受电磁干扰、受温度影响较小，长期稳定性好等诸多优点，具有在极端工作环境下进行结构健康监测的应用前景。但现有的方法多采用复杂的复合腔式法珀传感器结构，导致其机械强度差。若能结合实际的监测环境，合理运用高温下的黑体自发辐射特性，既能为测量系统提供光源支撑，也可能根据黑体辐射的温度特性，实现温度补偿。　　为此，本文提出了一种基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器高温应变测量方案，即采用高温下的黑体自发辐射作为光纤法珀传感器测量系统的光源，采用透射型单腔光纤法珀传感器进行高温应变测量，利用黑体辐射与温度的对应关系，实现温度补偿。从基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器解调方法与温度补偿原理、黑体辐射光源结构优化设计、光源与光纤的强度耦合效率等角度进行了理论分析和实验研究，开展了如下研究工作：　　① 基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器的应变解调与温度补偿原理研究。分析了基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器输出信号的特征，研究了基于相关运算的信号解调方法，分析了光源参数与传感器参数等对信号解调精度的影响。建立了高温应变测量模型，根据黑体辐射光源中心波长与温度的对应关系，分析了其温度补偿机理。　　② 黑体辐射光源结构及其与光纤耦合效率研究。为提高黑体光源的入纤强度，分析了黑体腔结构、高发射率涂覆材料、耦合结构等因素对耦合光强度的影响。重点研究了锥形光纤端面、球形光纤端面与黑体光源的耦合效率，并开展了相应的验证实验。结果表明：相比平光纤端面耦合方式，锥形光纤端面与球形光纤端面的高耦合效率分别提高约50%和80%。　　③ 实验研究。搭建了基于黑体光源的光纤法珀传感器高温应变测试系统，通过对光纤法珀传感器进行温度和应变灵敏度实验、基于黑体辐射源的温度补偿标定实验以及300℃以内的高温应变测量实验，验证了高温应变测量理论模型的可行性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 高温应变测量方法及存在的问题

1.2.1 电学应变测量方法

1.2.2 光纤应变测量方法

1.3 光纤F-P高温应变测量研究现状

1.3.1 光纤F-P传感器耐温性能研究现状

1.3.2 高温温度补偿研究现状

1.4 基于黑体辐射源的测量研究现状

1.4.1 黑体辐射源的发光特性分析

1.4.2 黑体辐射源的研究现状及问题

1.5 课题研究的意义及主要内容

2 基于黑体辐射光源的高温应变测量与温度补偿原理

2.1 基于黑体辐射光源的应变测量系统总体方案

2.2 基于黑体辐射光源的光纤F-P传感器信号特征分析

2.2.1 透射型F-P传感器信号特征

2.2.2 黑体辐射光源对光纤F-P传感器信号的影响

2.2.3 光谱仪对光纤F-P传感器信号的影响

2.3 基于黑体辐射光源的光纤F-P应变解调原理分析

2.4 基于黑体辐射光源的光纤F-P传感器高温应变测量原理

2.4.1 光纤F-P传感器的应变测量原理

2.4.2 光纤F-P传感器的高温应变测量模型与分析

2.5 基于黑体辐射光源温度补偿分析

2.6 本章小结

3 黑体辐射光源结构及其与光纤耦合效率研究

3.1 黑体辐射光源的设计

3.1.1 黑体辐射腔腔体结构的选择

3.1.2 黑体辐射腔腔体材料的选择

3.2 不同光纤端面耦合强度的理论分析

3.2.1 平光纤端面耦合强度的理论分析

3.2.2 锥形光纤端面耦合强度的理论分析

3.2.3 球形光纤端面耦合强度的理论分析

3.3 不同光纤端面耦合强度的对比实验验证

3.3.1 锥形光纤端面与平光纤端面耦合强度的对比试验

3.3.2 球形光纤端面与平光纤端面耦合强度的对比试验

3.4 本章小结

4 高温应变测量实验与分析

4.1 高温应变传感实验系统

4.1.1 F-P传感器制作

4.1.2 F-P传感器粘接

4.1.3 应变测量系统

4.1.4 温升系统

4.1.5 实验总体方案设计

4.2 基于黑体辐射的传感器常温应变灵敏度测试实验

4.3 基于黑体辐射的传感器等效温度灵敏度测试实验

4.4 基体黑体辐射的温度标定实验

4.5 基于黑体辐射的光纤F-P高温应变测量实验

4.6 本章小结

5 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢