收藏本站
《四川大学》 2003年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

光纤光栅水工渗压传感器封装的结构分析与试验

吴永红  
【摘要】: 世界上40%以上的水库大坝的溃坝事故是由库水渗流所致。渗流监测是大坝安全监测的一个关键项目,对保障大坝安全具有重要意义。 工程实践表明,传统的电测式渗压计具有相当的局限性。研制一种性能优越的高技术渗压传感技术,以期对大坝工程的内部渗流状况实现连续、立体、灵敏、可靠的监测,是十分迫切和必要的。本文基于最新发展的光纤光栅传感技术,研制能适用于水利土木工程的光纤光栅水工渗压传感器。 光纤传感是一种典型的边缘性高科技应用技术,涉及到光子光学、光纤技术、力学、工程科学等等。鉴于光纤光栅的制作和解调(即波长检测)近来已实现商品化,本文主要研究光纤光栅渗压传感的转换机制——传感探头的封装壳,这是光栅传感应用于工程实际的关键,它集埋设、保护、光调制器于一体。 本文进行了一系列传感探头封装壳的结构分析和试验,采用非线性有限元数值模拟,对光纤传感能否实用化具有决定性意义的光纤基体复合结构的细观界面力学问题进行了深入分析。此外,还对反射式光纤光栅水工渗压传感器进行了研究和实验。 本文首次进行了光纤—混凝土复合体、光纤—封装材料复合体的非线性三维有限元界面力学状态分析,以及光纤埋入混凝土、光纤封入胶体的切向刚度试验;得出了非线性分析的参数,给出了光纤—混凝土复合体中的应变分布。深入研究了光纤胶体封装壳复合结构中的 不同自由度单元之间的荷载传递问题,进行了对应于两种胶体的封装 壳复合结构的非线性有限元分析,优选了高弹模的粘结材料,测得了 这种材料的力学常数。 采用有限元软件ANSYS6.1,进行了传感探头整体结构的力学分 析,通过优化对比确定了封装壳的曲面形状和几何规格,给出了该探 头的光纤光栅中心反射波长和渗水压力这一光学一力学转换公式,并 分析了渗水压力可能达到的测量分辨率。同时进行了光纤埋入封装材 料的各种试验、封装壳的高压强度试验、和光纤封装壳整体结构的模 型制作试验。 经过多次加工工艺的改进,制成高强玻璃的腰鼓型封装壳。 此外本文还分析了光纤光栅在轴向剪切荷载作用下的光纤光栅传 感模型,导出了这一力学状态下的光纤光栅反射谱响应函数与剪应力 之间的关系方程,建立了更为系统的任意应力作用下的光纤光栅传感 模型和包括温度效应在内的统一的光纤光栅传感模型. 作为另外一种较为简便、但无复用功能的光纤渗压传感方案,本 文还研究了反射式光纤渗压传感器。其封装壳为椭球体。以反射式光 纤基本理论为基础,分析了光纤探头各种反射面的灵敏度,研究了不 同表面曲线函数模型以及模型的长短轴和壳厚等几何参数对微位移的 影响,得到了渗压与微位移之间的函数曲线。 本文得到的主要结论有: 1.与传统的电式渗压传感器相比,光纤光栅渗压传感器的传感机制 简单明确,分辨率高、抗电磁干扰、耐久可靠。结构强度分析和 试验表明,该传感器还具有较大的动态范围。 2.首次将光纤光栅直接装入高熔点无机材料中,为解决光纤光栅传 感器研制中最为困难的光栅安装固定工艺问题提供了一个新方 案。 3.对埋入混凝土等材料的布拉格光栅或布里渊散射的光纤应变传感 器,首次采用非线性有限元分析,研究了光纤与基材间的细观力 学和界面状态这一影响传感精度的首要问题。并进行了界面切向 冈lJ度试验,得出了非线性分析的参数。 四川大学工学博士论文 4.光纤一胶体封装材料复合体三维非线性有限元分析表明,粘结材 料的弹性模量和厚度会影响光纤和封装材料之间的应力应变传 递。粘结材料的弹越模高、厚度越薄,则它传递的应变就越大。 5.对光纤胶体封装壳复合结构中的两种不同自由度单元之间的荷载 传递问题的研究表明,是否考虑两者之间的荷载传递,得到的封 装壳中的轴向应变结果会有很大的差异。 6.腰鼓型封装壳的灵敏度高,渗压与安装柱应变具有线性关系,有 利于检测精度;光栅处于受压状态,可保障光栅传感元的耐久、 抗老化;可作为研制实用化的光纤光栅渗压传感器的实体模型。
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TV698.1

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张继宇;马吉星;李雄飞;;黄河下游引黄涵闸实现管理现代化措施初探[J];河南水利;2004年01期
2 ;[J];;年期
3 ;[J];;年期
4 ;[J];;年期
5 ;[J];;年期
6 ;[J];;年期
7 ;[J];;年期
8 ;[J];;年期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周智;田石柱;欧进萍;;光纤布拉格光栅传感机理研究[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
2 徐平;;高边坡岩体长期变形有限元分析[A];面向国民经济可持续发展战略的岩石力学与岩石工程——中国岩石力学与工程学会第五次学术大会论文集[C];1998年
3 邓建辉;戴福初;闵弘;魏进兵;卢慧;谭国焕;李焯芬;;三峡库区泄滩滑坡监测系统[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
4 徐平;;岩体高边坡长期变形有限元分析[A];岩土力学的理论与实践——第三届全国青年岩土力学与工程会议论文集[C];1998年
5 徐刚;翟君鹤;房辉;孙拥新;冯玉柱;田卫;刘冬梅;;烧伤休克胶渗压的动态改变与体液复苏关系的临床研究[A];中华医学会第五次全国烧伤外科学术会议论文汇编[C];1997年
6 赵凤华;齐弘炜;吴明营;王丽芳;蒙革;;婴幼儿体外循环中监测胶渗压及Hct在超滤中的作用[A];中华医学会第七次全国胸心血管外科学术会议暨2007中华医学会胸心血管外科青年医师论坛论文集心血管外科分册[C];2007年
7 刘永翔;刘作易;;戴氏绿僵菌原生质体的形成及再生[A];生命科学与微生物专辑[C];2004年
8 张善云;张开诚;;72例小儿急性坏死性肠炎休克的治疗休会(摘要)[A];第三次全国急诊医学学术会议论文摘要汇编[C];1990年
9 王志远;黄树元;车传东;;小山面板堆石坝的结构性态[A];中国水力发电工程学会大坝安全监测专业委员会年会暨学术交流会论文集[C];2000年
10 王盛;王怀良;;惠州抽水蓄能电站地下建筑物安全监测设计[A];2004年水工专委会学术交流会议学术论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 吴彪;能为人之所不能[N];中华建筑报;2000年
2 王保平;二十一世纪长寿医学[N];科技日报;2001年
3 木子;清华同方瞄准黄河三盛公[N];中国水利报;2003年
4 邢湘臣;海洋动物淡化海水的本领[N];中国海洋报;2001年
5 记者 颜超华 朱俊君;三峡156米蓄水对大坝稳定有无影响?[N];人民长江报;2006年
6 邝烨;苏里格气田开发初具规模[N];中国国土资源报;2007年
7 记者 顾兆农;三峡水库水位9日可至148米高程[N];人民日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 吴永红;光纤光栅水工渗压传感器封装的结构分析与试验[D];四川大学;2003年
2 魏静;渗压作用下的有限应变固结理论研究[D];天津大学;2004年
3 张玲;飞秒写制长周期光纤光栅的光谱特征及传感应用[D];山东大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 涂玥;基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统开发[D];西安理工大学;2004年
2 王静;光纤光栅传感研究[D];华侨大学;2004年
3 魏世明;相似模拟实验中的光纤光栅传感测试研究[D];西安科技大学;2004年
4 吴德娟;海塘安全监测的模糊综合评判研究[D];上海交通大学;2007年
5 张荣雨;基于安全监测的海塘综合评判隶属度和权值的研究[D];上海交通大学;2008年
6 缑小凡;自动化大坝安全监测及智能振弦压力数据采集系统[D];西北工业大学;2005年
7 陈康;黄河小浪底水利枢纽工程大坝坝基渗流分析[D];中国地质大学(北京);2006年
8 贾峰生;左权石匣水库坝情和水情自动测报系统[D];太原理工大学;2004年
9 李向舜;光纤Bragg光栅波长检测信号处理系统研究[D];武汉理工大学;2004年
10 王新;土石混合体力学特性影响因素及破坏机制研究[D];长江科学院;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026