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《山东大学》 2011年
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光纤光栅多参数传感理论技术研究及在地下工程灾害监测中的应用

王静  
【摘要】:随着我国现代化建设和可持续发展战略的实施,在交通、水利水电与矿山等领域正在或即将修建大量的隧道(洞)等地下工程,随着重大交通与水电工程向西部山区转移以及矿山采掘深度的增加,地下工程施工中所遭遇的水文地质条件日益复杂,突涌水、塌方等高风险地质灾害呈现上升趋势,造成了严重的人员伤亡与经济损失。在目前地下工程地质灾害监测技术相对落后的情况下,地质灾害的实时监测与预测已经成为亟待解决和突破的关键科技难题。光纤光栅传感技术的不断发展为解决该难题提供了可行的途径,但目前光纤光栅传感器种类少,传感系统功能简单、测量参数单一,且传感器信号提取及分析技术落后,不能有效剔除啁啾效应的影响,尚不能满足地下工程地质灾害实时监测与预测的需要。 针对上述问题,本文以光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)传感理论与技术研究为突破口,以重大地下工程地质灾害模型试验为依托,在深入分析光纤光栅本征参数与应变分布对反射光谱特性影响的基础上,提出了基于光谱中心波长位置约束的光栅光谱重构理论及其改进遗传算法优化方法,实现了光纤光栅啁啾效应的快速准确识别与剔除,提出了传感器数值仿真优化设计方法,研制了高灵敏度渗压传感器、新型应变传感器、靶式流速传感器、微型位移传感器与多点位移传感器;构建了大容量、多参数光纤光栅实时监测网络,相关研究成果已在不同地下工程地质灾害模型试验中得到成功应用。本文的主要研究工作如下: (1)针对光纤光栅光谱特性同时受多个参数影响这一基础问题,基于光纤光栅传输矩阵理论及应变传感模型,开发了光纤光栅光谱仿真程序,揭示了光纤光栅本征参数及应变分布对反射光谱特性的影响规律,尤其是沿光栅的应变分布对光栅反射谱中心波长、反射率及带宽等因素的影响,通过两端固定压杆调谐光纤光栅试验,获得了光纤光栅在非均匀应变条件下的光栅反射谱,验证了光纤光栅数值分析的有效性,为光纤光栅参数重构与传感器研究奠定了理论基础。 (2)针对以往光纤光栅参数重构尤其是应变分布重构效果差且收敛速度慢的难题,提出了基于中心波长位置约束的光纤光栅参数重构理论及其改进的遗传算法优化方法,解决了以往光纤光栅参数重构中未考虑中心波长相对位置而导致重构效果差的难题,显著改善了重构的非唯一性和置信度,开发了光栅本征参数与应变重构程序,系统的开展了光纤光栅参数重构数值试验,结合两端固定压杆调谐光纤光栅试验,验证了该重构方法的有效性、适用性和可操作性,形成了种光纤光栅参数精确重构方法。 (3)针对光纤光栅传感器设计方法落后的现状,基于有限元数值分析方法,提出了光纤光栅传感器优化设计方法,构建了光纤光栅重构理论与标定试验相结合的光纤传感器优化设计平台。针对目前光纤传感器种类少、与周围介质匹配性差的难题,突破了光纤光栅传感技术用于渗压、流速等传感测量的技术瓶颈,采用基于有限元理论的光纤光栅传感器优化设计方法,研制了高灵敏度光纤光栅渗压传感器与靶式光纤光栅流速传感器,同时基于被测物体基体材料研制了与周围介质匹配性能好的光纤光栅应变传感器,开发了微型光纤光栅位移传感器与多点位移传感器,构建了适用于地下工程地质灾害实时监测与信息识别的新型传感器体系。 (4)针对目前光纤传感系统简单、测量参数单一的难题,基于波分复用与空分复用理论,构建了多参数、大容量光纤光栅传感系统,并采用Labview与C++Builder开发了地下工程灾害实时监视与在线分析软件,实现了多元数据的同步采集与实时显示。 (5)针对地下工程灾害监测中传感器灵敏度低、防水性能差的缺陷,将光纤光栅传感系统用于工程灾害关键物理参数的实时监测中。针对典型的地质灾害,开展了煤矿突涌水模型试验、隧道围岩稳定性模型试验与分区破裂模型试验等大型模型试验,揭示了温度、应变、位移、渗压、流速等参数对岩体的破坏过程尤其是灾害发生前兆信息的响应特征,建立了地下工程地质灾害前兆判别标准,形成了基于光纤传感技术的地下工程灾害实时监测与预测系统,对解决地下工程地质灾害的实时监测与预测难题具有重要的理论意义和工程价值。
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5 ;光纤光栅前景光明[J];激光与光电子学进展;1995年02期
6 舒学文,黄德修;光纤光栅研究的最新进展[J];激光与红外;1997年02期
7 李智红,盛秋琴,董孝义;长周期光纤光栅的原理与应用[J];光通信技术;1998年02期
8 张劲松,陈根祥,黄力群,赵玉成,魏道平,简水生;光纤光栅在光通信中的应用[J];光通信研究;1998年03期
9 丁浩,赵浩,张位在,陈高庭,方祖捷,李沈平,陈锦泰;内置光纤光栅的主动锁模光纤环形激光器输出光脉冲波长的电切换[J];中国激光;1998年05期
10 郭威,刘凯,黄永清,陈雪,任晓敏;光纤光栅布喇格波长调谐特性的研究[J];光通信技术;1999年03期
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12 孔梅,石邦任;光纤光栅温度与轴向应变响应机制分析[J];光子学报;2001年02期
13 张记龙,曾光宇;光纤光栅(FBG)传感技术及其应用[J];华北工学院测试技术学报;2001年04期
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16 蔡海文,瞿荣辉,陈高庭,方祖捷;光纤光栅带内色散特性的离散时域分析[J];光学学报;2002年10期
17 鲁怀伟,梁元春,崔成刚;窄带高隔离度光纤光栅反射滤波器的理论分析[J];兰州大学学报(自然科学版);2002年02期
18 蔡海文,陈刚,耿健新,董作人,瞿荣辉,陈高庭,方祖捷;基于光纤光栅技术的新型光子器件及其在动态可配置波分复用光网络中的应用[J];高技术通讯;2002年10期
19 黄勇林,董兴法,李杰,董孝义;基于光纤光栅和环形器的高温度稳定性OADM的研究[J];激光杂志;2004年05期
20 刘丽辉,张伟刚,郭宏雷,曹晔,金龙,张昊,杨亦飞,赵启大,开桂云,董孝义;光纤布拉格光栅压力增敏的实验研究[J];中国激光;2004年10期
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1 张铭;杨德兴;;一种光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器[A];2011西部光子学学术会议论文摘要集[C];2011年
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3 黄锐;蔡海文;方祖捷;陈高庭;;调节光纤光栅参数的一种新方法[A];全国第十次光纤通信暨第十一届集成光学学术会议(OFCIO’2001)论文集[C];2001年
4 徐明政;孙延辉;;石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用[A];第十三届中国科协年会第13分会场-海洋工程装备发展论坛论文集[C];2011年
5 闻传花;李玉权;;星间激光通信中光纤光栅的应用研究[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
6 倪明;杨华勇;李智忠;胡永明;;光纤光栅水听器[A];中国声学学会2005年青年学术会议[CYCA'05]论文集[C];2005年
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8 周智;欧进萍;;FBG智能传感器及其在土木工程中的应用研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年
9 陈金明;汤立群;;光纤光栅频谱和曝光特性研究[A];复合材料力学的现代进展与工程应用——全国复合材料力学研讨会论文集[C];2007年
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1 杨凤鸣;神奇的光纤光栅[N];中国电力报;2004年
2 山东 李保军;浅谈光纤光栅传感器[N];电子报;2005年
3 本报记者 宋剑峰;光通信:强势引领中国信息产业[N];中国高新技术产业导报;2001年
4 ;绿色生态科技城 掘起天津高新区[N];中国高新技术产业导报;2004年
5 黑龙江省电信技术支援中心 林秋菊 王洪国;密集波分复用关键技术[N];人民邮电;2001年
6 中国光学光电子行业协会 陈苗海;以“光速”发展的光通信元器件[N];中国电子报;2001年
7 欢静;光纤传感技术让地灾监测更精准[N];中国矿业报;2010年
8 记者 孙兆光 通讯员 武英俊;第五代管道预警技术成功试用[N];中国石油报;2008年
9 记者 陆梅阳 周少华 市报道组 叶胜荣 刘学文;富阳全力建设“浙江光谷”[N];浙江日报;2001年
10 吴映红;光纤传感器发展动向[N];中国电子报;2000年
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1 张锦龙;基于光纤光栅的传感和解调技术研究[D];北京邮电大学;2009年
2 沈小燕;光纤光栅应变传感及扩大应变传感范围的技术研究[D];天津大学;2010年
3 沈永良;基于旋光色散效应的光纤光栅传感解调方法研究[D];黑龙江大学;2012年
4 王月明;光纤光栅传感产业化技术研究及应用[D];武汉理工大学;2009年
5 倪娟;光纤光栅在微波光子学中的应用[D];浙江大学;2011年
6 颜玢玢;特殊结构光纤光栅理论与应用技术[D];北京邮电大学;2010年
7 倪凯;光纤光栅制备及传感应用研究[D];浙江大学;2011年
8 刘伟升;光纤光栅传感与光纤光栅激光器的应用研究[D];浙江大学;2011年
9 赵强;基于光纤光栅的海洋温盐深探测技术研究[D];长春理工大学;2013年
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1 周勇;光纤光栅城轨计轴技术[D];武汉理工大学;2010年
2 程立伟;磁光光纤光栅的偏振相关特性研究[D];电子科技大学;2010年
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4 魏文星;基于ARM的嵌入式光纤光栅振动检测系统[D];山东大学;2010年
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