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基于光纤Bragg光栅的湿度及主动监测系统的研究

作　者: 周怡妃
导　师: 梁大开
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 结构健康监测(SHM) 光纤Bragg光栅(FBG) 湿度传感器聚酰亚胺（PI）分布式系统主动监测系统
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 77次
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内容摘要

近年来，结构健康监测在航空航天、土木工程等大型项目中扮演着重要的角色。光纤Bragg光栅是一种常用于结构健康监测的重要传感器件，它具有质量小、抗电磁干扰、可实现准分布式复用等诸多优点。本文对光纤Bragg光栅用于湿度监测和对复合材料环境监测进行了研究，并对光纤Bragg光栅用于主动监测系统进行了研究设计。本文研究的内容包括以下几个部分：1、设计了基于光纤Bragg光栅的湿度传感探头；研究各种湿敏材料的性质，分析比较其优劣，再结合光纤Bragg光栅的特点，选择最合适的湿敏材料；通过对制作工艺的创新、分析影响传感探头性能的因素以及对温度灵敏度、湿度灵敏度等性能进行实验研究，成功实现了对湿度传感探头的性能优化；并通过仿真Optigrating软件对传感探头进行仿真研究。2、实现了光纤Bragg光栅湿度传感器的温度补偿，设计了适合该传感器的保护性封装，对传感器的温度特性、湿度特性、重复性、响应时间等参数进行了实验研究；针对混凝土结构内部湿度难以测量的问题，该传感器实现了对混凝土结构内部的湿度监测；研究基于光纤Bragg光栅湿度传感器的分布式监测系统，实现了对湿度的分布式监测；对复合材料在极端环境下性能进行了实验，研究极端环境对用于监测的光纤Bragg光栅的性能影响。3、对光纤Bragg光栅用于主动监测的系统进行了初步研究；设计基于LabWindows/CVI的波形激励产生界面，实现对LAI320-PCI任意波形发生卡的控制使用；研究了包括边缘滤波的光路系统；设计了光电转换及其他后续调理电路，实现对光信号转化为电信号以及对信号的处理；通过LabVIEW设计了数据采集系统，通过该系统实现了数据的实时采集处理和存储；最后通过实验验证了该套系统的硬件和软件的可行性，为后续研究奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-14
第一章绪论  14-22
  1.1 结构健康监测概念  14
  1.2 结构健康监测系统  14-16
    1.2.1 结构健康监测系统组成  14-15
    1.2.2 结构健康监测方法分类  15-16
  1.3 结构健康监测中的功能元件  16-17
    1.3.1 光纤 Bragg 光栅  16-17
    1.3.2 压电陶瓷（PZT）  17
  1.4 光纤 Bragg 光栅用于结构健康监测研究现状  17-20
    1.4.1 光纤光栅对湿度的监测  18-20
    1.4.2 光纤 Bragg 用于主动监测技术  20
  1.5 本文研究的意义及主要内容  20-22
    1.5.1 本文研究的意义  20-21
    1.5.2 本文研究的主要内容  21-22
第二章光纤光栅传感原理及压电效应  22-27
  2.1 光纤布拉格光栅传感原理  22-24
    2.1.1 光纤 Bragg 光栅温度传感原理  22-23
    2.1.2 光纤 Bragg 光栅的应变传感原理  23-24
  2.2 长周期光纤光栅原理  24-25
  2.3 压电效应与 Lamb 波激励方式  25-26
    2.3.1 压电效应  25
    2.3.2 Lamb 波激励方式  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章基于光纤 Bragg 光栅湿度传感探头的研制  27-40
  3.1 光纤 Bragg 光栅湿度传感原理  27-28
  3.2 湿敏材料的制备及其特性研究  28-32
    3.2.1 湿敏材料的选择  28-29
    3.2.2 聚酰亚胺溶液的配置  29-30
    3.2.3 聚酰亚胺的湿敏特性研究  30-32
  3.3 光纤 Bragg 光栅湿敏探头的制备  32-33
    3.3.1 光纤 Bragg 光栅表面预处理  32-33
    3.3.2 湿敏探头的制作步骤及关键  33
  3.4 光纤 Bragg 光栅湿度传感器性能优化研究  33-37
    3.4.1 实验系统搭建  34
    3.4.2 膜的厚度的影响  34-36
    3.4.3 膜的均匀性的影响  36-37
  3.5 光纤 Bragg 光栅湿度传感器的光谱仿真  37-38
  3.6 本章小结  38-40
第四章光纤 Bragg 光栅对湿度及复合材料环境监测的应用研究  40-55
  4.1 光纤 Bragg 湿度传感器性能测定  40-42
    4.1.1 温度传感特性  40-41
    4.1.2 湿度传感特性  41
    4.1.3 重复性  41-42
    4.1.4 响应时间  42
  4.2 光纤 Bragg 光栅湿度传感器对混凝土内部的湿度监测  42-46
    4.2.1 传感器封装设计  42-43
    4.2.2 混凝土试块的制备  43-44
    4.2.3 实验系统搭建  44
    4.2.4 实验结果分析  44-46
  4.3 分布式光纤湿度传感系统  46-47
    4.3.1 试验系统  46-47
    4.3.2 实验结果分析  47
  4.4 光纤 Bragg 光栅对复合材料环境监测  47-54
    4.4.1 湿热环境  48-50
    4.4.2 高温环境  50-52
    4.4.3 低温环境  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章基于光纤 Bragg 光栅的主动监测系统的研究  55-75
  5.1 波形激励模块设计  56-60
    5.1.1 波形激励模块设计目标  56
    5.1.2 波形激励模块硬件介绍  56-58
    5.1.3 基于 LabWindows 的波形激励模块软件设计  58-60
  5.2 光路系统  60-65
    5.2.1 光路检测原理  61
    5.2.2 光路系统组成  61-65
  5.3 测量电路设计  65-69
    5.3.1 差分减法电路设计  65-67
    5.3.2 放大电路设计  67-68
    5.3.3 低通滤波模块电路设计  68-69
  5.4 数据采集系统  69-72
    5.4.1 数采卡介绍  69-70
    5.4.2 基于 LabVIEW 的数据采集系统  70-72
  5.5 实验系统及结果分析  72-74
  5.6 本章小结  74-75
第六章总结与展望  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
在学期间的研究成果及发表的学术论文  82-83
附录  83-86

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