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分布式光纤声发射传感器的研究

作　者: 曲丹丹
导　师: 梁艺军
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学
关键词: 声发射 光纤传感器 分布式
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


分布式光纤传感技术是一项应用前景比较广泛的技术。它可以实现长距离、大范围的声发射源定位与监测，可以实时、在线、动态监测建筑结构材料的损伤情况并对损伤的位置加以定位。在土木工程中，如果分布式光纤传感器能成功被运用，那么它将会带来的巨大的经济效益。本课题就是分布式光纤声发射传感器的研究。文中首先介绍了声发射检测技术的相关知识，之后阐述了光纤声发射源定位技术的国内外的研究现状，分析了声发射波在固体中的传输特性以及声波在各向同性和各向异性介质中的传播特点；研究了声波对光纤作用的调制特性，用Bessel函数推导了光纤传感器输出干涉信号的数学形式，并分析了光纤传感器对声波输出信号特性。介绍了初位相对光纤声发射干涉仪的影响，利用Matlab仿真，得出光纤传感器检测最佳状态所在点；分析了几种典型的用于检测声发射的相位调制型光纤传感器；设计了一种基于Michelson干涉仪的声发射传感器，该传感器用两个环形反射器取代传统Michelson干涉仪的两个反射端面，因为减少了光能量的损失，而使系统的灵敏度有了很大的提高。阐述了全分布式环形光纤声发射传感器中所应用的频谱分析定位法，介绍了周期函数的频谱分析的基本原理，介绍采用Fourier变换和快速Fourier变换的方法处理由光纤超声传感系统检测到的声信号。设计了全光纤分布式环形光纤声发射传感器。推导了该传感器结构对声源定位的计算公式。该结构利用输出信号的功率谱进行分析，建立起频率与声发射信号作用点位置之间的关系，即利用零频点分析法。最后利用Matlab软件仿真，对输出光强进行了快速傅立叶变换，仿真结果能直观地观察到零频点，且与理论结果一致最后通过实验验证了该环形分布式光纤传感器对于声发射源定位的可行性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 课题研究的背景与意义  9
  1.2 声发射检测技术  9-10
    1.2.1 声发射检测技术及其特点  9-10
    1.2.2 声发射检测技术的发展  10
  1.3 光纤传感器及其特点  10-11
  1.4 光纤声发射源定位技术国内外研究现状  11-12
  1.5 本课题研究的内容和目标  12-14
第2章 声发射信号在固体中的传输特性  14-21
  2.1 声发射的产生  14-16
    2.1.1 位错运动与塑性变形  14-15
    2.1.2 裂纹的形成和扩展产生的 AE  15-16
  2.2 在固体中声发射波的传播形式  16-18
    2.2.1 各向同性介质中声波传输特性  16-17
    2.2.2 声波在各向异性介质中的传播特性  17-18
  2.3 声波对光纤作用的调制特性研究  18-20
  2.4 本章小结  20-21
第3章 光纤传感器对于声发射的检测特性  21-38
  3.1 光纤干涉仪对于声发射输出信号的检测  21-28
    3.1.1 输出信号的 Bessel 函数展开  21-23
    3.1.2 光纤传感器对声波输出信号特性分析  23-28
  3.2 用于检测声发射的光纤传感器  28-31
    3.2.1 Michelson 光纤声发射干涉仪  28-29
    3.2.2 Sagnac 光纤声发射干涉仪  29-30
    3.2.3 Mach-Zehnder 光纤声发射干涉仪  30
    3.2.4 Fabry-Perot 光纤声发射干涉仪  30-31
  3.3 基于 Michelson 干涉仪的声发射传感器  31-37
    3.3.1 光纤 Michelson 干涉仪声发射检测原理  31-35
    3.3.2 实验装置与实验结果  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 分布式环形光纤声发射传感器设计及定位原理  38-47
  4.1 频谱分析定位法  38
  4.2 周期函数的频谱分析  38-40
  4.3 FT 和 FFT 用于光纤传感器中的频谱分析  40-43
  4.4 分布式环形光纤传感器设计  43-46
    4.4.1 系统结构  43
    4.4.2 系统的分布式定位原理  43-44
    4.4.3 Matlab 仿真  44-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章 分布式环形光纤传感器实验系统  47-54
  5.1 系统结构  47-49
    5.1.1 光路组成部分  47-48
    5.1.2 电路组成部分  48-49
  5.2 分布式环形光纤传感器定位实验装置  49-50
  5.3 实验结果与误差分析  50-53
  5.4 本章小结  53-54
结论  54-56
参考文献  56-61
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  61-62
致谢  62

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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 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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