偏芯熔接型光纤传感器在路基沉降监测中的应用研究

摘要

随着高速、重载铁路的建设，对于我国传统铁路路况的监测提出了新的挑战，特别是对路基和轨道沉降变形的要求显著提高。路基沉降是道路线路监测中的一个不可或缺的参数，直接关系到道路运输的安全及道路的使用寿命。因此我们需要通过长期监测及评估道路路基的沉降与变形，及时发现道路中存在的隐患，保证道路安全的正常使用。本文提出了首次将基于偏芯熔接光纤传感技术来对道路路基的健康状况进行研究。
　　文中首先在理论上分析了基于普通单模光纤偏芯熔接结构的光纤传感器，并对其传感特性进行了分析。并结合实验条件，对该类型的光纤传感器的弯曲响应特性进行了实验分析，得到了其弯曲响应特性。实验证明，该类型传感器具有非常灵敏的弯曲响应特性，对于长度为55.6mm的传感器而言，其弯曲灵敏度可达-6.9nm/m-1。同时，为了分析传感器长度对传感器弯曲响应灵敏度的影响，我们又制作了两个不同长度的传感器，并在相同的实验条件下对其弯曲响应特性进行了研究，得到了长度与传感器灵敏度的关系。实验结果显现，对于长度分别为43.4mm和16.0mm的传感器，其弯曲灵敏度分别为-2.6nm/m-1和-1.8nm/m-1。此外考虑到传感器应用在野外条件下，环境温度会在一定范围内波动，我们对传感器的温度响应进行了实验，得到了其温度响应特性，同时分析了传感器的温度-曲率交叉敏感特性。对于长度为55.6mm的传感器，其温度响应系数为0.073nm/℃，对应的曲率-温度交叉敏感度为0.0105m-1/℃。在上述实验基础上，又对传感器的振动响应特性进行了分析，并对光源波长位于传感器不同工作区域时的响应特性进行了对比试验，得到了响应的结果。实验结果显示，该类型的传感器在线性工作区域时的振动响应特性非常灵敏，同时其噪声特性非常好，在没有振动的条件下，其噪声保持在几乎为零的水平，保证了传感器对振动探测的准确性。在上述传感器弯曲和振动实验结果的基础上，将基于偏芯熔接结构的光纤传感器应用到对路基沉降的监测当中，讨论了用该类型传感器进行路基沉降监测的可行性，并给出了利用该传感器进行路基沉降监测的实验方案。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与意义

1．1．1 道路建设的发展概述

1．1．2 关于路基沉降的概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 传统的机械监测方法

1．2．2 传感器监测技术

1．2．3 光纤测量技术

1．2．4 路基沉降监测方法的比较

1．3 论文提出的意义

1．4 本文的研究内容及结构安排

2 基于偏芯熔接结构光纤传感技术

2．1 光纤传感技术的发展

2．2 光纤传感技术的原理

2．3 光纤传感技术的分类

2．3．1 根据光波在光纤中被调制的原理分类

2．3．2 根据光纤在传感器中的作用分类

2．4 光纤传感系统的组成

2．5 关于偏芯熔接光纤传感器的理论推导

2．5．1 白光的干涉理论

2．5．2 光相位的调制原理

2．5．3 光纤模式干涉的理论

2．5．4 二层光波导的电场分布理论

2．5．5 多层光波导的理论分析

2．6 本章小结

3 基于偏芯结构的光纤传感器及其特性的研究

3．1 偏芯熔接光传输理论

3．2 偏芯熔接光纤传感器的弯曲实验

3．2．1 弯曲传感实验的介绍

3．2．2 弯曲传感实验的分析

3．3 长度对偏芯熔接传感器的影响

3．4 温度对偏芯熔接传感器的影响

3．4．1 温度传感的原理

3．4．2 温度传感的实验介绍

3．4．3 温度-弯曲交叉敏感特性

3．5 本章小结

4 偏芯结构的光纤传感器的振动传感特性研究

4．1 振动响应的理论分析

4．2 光纤传感器振动响应的实验介绍

4．3 本章小结

5 偏芯传感器在路基沉降方面的系统实验及结果分析

5．1 监测路基沉降的模型

5．2 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望与下一步工作

参考文献

作者简历以及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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