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基于光纤Bragg光栅的大量程预应力监测系统研究

作　者: 韩憬
导　师: 刘铁根
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤Bragg光栅 预应力钢绞线 光纤传感 应力监测 大量程
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 51次
引　用: 1次
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内容摘要


随着大型预应力结构工程的迅速发展,建筑结构健康监测的重要性日益突出,传统检测方式不适于预应力监测,利用大量程光纤Bragg光栅传感系统可实现对预应力筋的长期监测。本课题基于大量程光纤Bragg光栅传感器和解调仪,对边缘滤波法的传统量程进行非线性扩展,开发了一套量程超过8.5nm,可承受超过7000με的预应力监测系统,具体工作如下:1.根据大量程预应力监测系统的性能指标,我们选择边缘滤波法来检测波长的变化,利用粗波分复用器(CWDM)作为线性滤波器,设计了系统方案,对宽带光源进行了滤波优化,设计了裸光纤Bragg光栅封装为FBG预应力监测传感器的方案,搭建了基于光纤Bragg光栅的大量程预应力监测系统。2.从CWDM的传输特性出发,改进了边缘滤波法量程小的缺点,创新性的提出对其量程进行非线性扩展,进行了理论验证,可从传统的3-4nm扩展至6-8nm;设计实验,利用可调谐激光器模拟光纤Bragg光栅反射的窄带光谱,测试结果表明该系统实际量程达8.5nm。3.在LabVIEW环境下编写了光纤光栅传感系统上层应用软件,该软件既能够适用于USB接口进行高速传输,又可以针对以太网接口,基于TCP/IP协议,进行长距离的数据传输;同时,利用AC6112数据采集卡,该软件可以对传感系统采集到的动态或者瞬态信号进行波形以及频率的分析,而且该软件能够同步实现数据的采集、传输、保存以及联动报警。4.通过实验测量了大量程光纤Bragg光栅传感系统的精度约为18pm;测试系统对高速信号的即时响应,验证该系统应用于瞬态检测的可行性。利用大量程光纤Bragg光栅传感器对预应力钢绞线的应力测量进行了研究,试验结果表明,在预应力钢绞线单根钢丝上粘贴FBG基本上可以不受钢绞线结构形式的影响而表征钢绞线的总体应力情况,利用聚合物封装在钢绞线上的FBG能够承受超过7000με的拉伸。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 引言  8-10
  1.2 课题的背景以及意义  10-12
    1.2.1 预应力混凝土结构是当今建筑领域的重要发展方向  10
    1.2.2 预应力混凝土结构的健康检测与钢绞线的应力分布测量  10-11
    1.2.3 传统钢绞线预应力检测方法  11-12
  1.3 光纤传感在建筑监测领域的发展现状  12-13
  1.4 本文的研究目的和主要内容  13-15
    1.4.1 研究目的  13
    1.4.2 主要内容  13-15
第二章 光纤Bragg光栅的结构及传感原理  15-23
  2.1 光纤Bragg光栅的基本传感机理  15-17
  2.2 光纤Bragg光栅的传感特性研究  17-22
    2.2.1 光纤Bragg光栅的温度特性  18-19
    2.2.2 光纤Bragg光栅的轴向应力特性  19-20
    2.2.3 光纤Bragg光栅的横向应力特性  20-21
    2.2.4 光纤Bragg光栅的应变-温度交叉传感特性  21-22
  2.3 本章小结  22-23
第三章 大量程光纤Bragg光栅传感系统方案设计  23-45
  3.1 预应力钢绞线的测量  23-24
  3.2 光纤光栅解调方法  24-30
    3.2.1 光谱仪检测法  24-25
    3.2.2 匹配滤波法  25-26
    3.2.3 干涉法  26-27
    3.2.4 可调谐光源法  27
    3.2.5 衍射解调法  27-28
    3.2.6 可调谐光纤F-P滤波器法  28-29
    3.2.7 边缘滤波法  29-30
  3.3 大量程光纤Bragg光栅传感系统设计  30-39
    3.3.1 线性滤波器边缘带解调原理  30-32
    3.3.2 线性滤波器的选择  32-34
    3.3.3 大量程光纤Bragg光栅传感系统总体结构  34-36
    3.3.4 宽带光源  36-38
    3.3.5 大量程光纤Bragg光栅传感器  38-39
  3.4 边缘滤波法的大量程非线性扩展  39-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章 大量程光纤Bragg光栅传感系统软件设计  45-55
  4.1 LabVIEW简介  45-47
  4.2 大量程光纤Bragg光栅传感系统数据传输设计  47-51
    4.2.1 基于USB接口的动态链接库设计  47-49
    4.2.2 基于以太网接口的数据传输设计  49-51
  4.3 人机交互界面设计  51-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章 大量程光纤Bragg光栅传感系统实验验证  55-69
  5.1 大量程传感系统精度测量  55-58
  5.2 大量程传感系统动态信号响应测试  58-61
  5.3 大量程传感系统量程实验研究  61-64
  5.4 钢绞线应变测量实验  64-68
    5.4.1 FBG的封装与粘贴  64-65
    5.4.2 钢绞线应力测试试验  65-67
    5.4.3 结论  67-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章 总结与展望  69-71
参考文献  71-76
发表论文和科研情况说明  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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