光纖光柵傳感測試關鍵技術研究及其在預應力筋中的應用.pdf

1、光纖光柵傳感器具有測量精度高、性能穩(wěn)定可靠、能實現(xiàn)絕對測量，以及獨特的單根復用能力，因而成為準分布傳感測試領域的研究重點。走向應用是光纖光柵傳感測試技術蓬勃發(fā)展的有力體現(xiàn)，也同時使其研究方向從初期的純理論研究和實驗室研究轉(zhuǎn)為與各種實際應用相結(jié)合的針對性技術研究。 傳感器所承擔的任務是感覺結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，因而其性能研究不能脫離被測結(jié)構(gòu)。光纖光柵傳感元的具體結(jié)構(gòu)以及與被測體的復合狀態(tài)等多種因素，都可能會影響光纖光柵的實際傳感特性，進

2、而影響對被測物理量的精確測量。此外，伴隨著光纖光柵解調(diào)技術的發(fā)展，在其基礎上構(gòu)建光柵傳感網(wǎng)絡的自動測試系統(tǒng)，建立測量結(jié)果的規(guī)范化處理平臺，成為繼光柵傳感、解調(diào)之后一個必然要解決的主要問題，這對于促進光柵傳感測試技術的實際工程應用也具有重要意義。 本文對光纖光柵傳感測試技術中的關鍵問題及其在預應力筋應力測試中的應用進行了系統(tǒng)深入的研究，主要內(nèi)容包括：光纖光柵的溫度補償技術及影響因素研究、與被測體相結(jié)合的光纖光柵實際應變傳感特性研究

3、、光纖光柵復用傳感陣列的功率解調(diào)技術研究、光纖光柵自動測試系統(tǒng)控制軟件的設計開發(fā)以及預應力筋光柵傳感測試中的關鍵技術和分布、錨端測試技術方法研究等。 第一，提出了考慮光纖材料結(jié)構(gòu)組成影響的參考光柵溫度補償方法。在對溫度作用下涂覆、套塑光纖真實變形、應變狀態(tài)進行研究的基礎上，從光柵溫度敏感機理角度出發(fā)首次推導得出了更為準確的與光纖結(jié)構(gòu)相關的光柵溫度響應特性公式，為光纖光柵應變傳感的溫度補償提供了可靠的理論分析依據(jù)。 第二，

4、從與被測體相結(jié)合的角度對光纖光柵實際應變傳感特性進行了研究。首先，建立了不同粘結(jié)方式下光柵的等效受力模型，并分析了其傳感特性的多種影響因素。其次，提出了用以擴大光柵應變測量范圍的傾斜粘貼復合方法，建立了光柵測量應變與被測體實際應變間的理論關系模型，試驗驗證了光柵傾斜粘貼與常規(guī)狀態(tài)下應變靈敏度間的比值關系，并對實際應用中粘貼方位偏差所引起的測量誤差進行了定量研究和評價，有效地解決了大應變測量情況下光柵的長期安全壽命問題。此外，建立了埋入基

5、體內(nèi)光纖應變傳遞的理論分析模型和有限元仿真模型，對最大層間剪應力、端部應變不完全傳遞區(qū)的尺寸范圍以及影響傳遞特性的因素和變化規(guī)律等問題進行了具體研究，得出了指導性結(jié)論。 第三，對復用光柵傳感陣列的光時域反射(OTDR)功率解調(diào)技術進行了系統(tǒng)深入的研究。進行了不同光柵組合情況下的試驗測試，首次分析給出了復用光柵OTDR測試系統(tǒng)中光柵反射率的確定原則和要求，建立了光柵反射功率與被測物理量間的理論關系模型，并分析了OTDR解調(diào)技術的傳

6、感靈敏度、空間分辨率、復用數(shù)量以及測量范圍等性能指標。該研究為解決波長解調(diào)方法中光柵最大測量范圍和可復用數(shù)量難以同時滿足要求的技術難題提供了有效途徑。 第四，為滿足遠程、長期測量的需求和工程實際的需要，以虛擬儀器控制技術為手段，設計開發(fā)了光纖光柵遠程自動測量軟件，建立柔性測試系統(tǒng)。不僅可以根據(jù)需求按預定模式進行自動測量、數(shù)據(jù)存儲和實時顯示，而且還具有對測量結(jié)果的糾錯和自動處理功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 第五，針對預應力筋