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《西安科技大学》 2013年
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表面黏贴式光纤光栅传感原理及其实验研究

张桂花  
【摘要】:矿业工程由于其地质灾害的复杂性、隐蔽性和突发性等显著特点对检测技术提出了更高的要求。光纤传感技术作为一种性能优越的传感器件,在本质安全型矿井建设、岩石变形破坏监测中发挥着重要的作用,以其独特优势而处于中心地位,光纤光栅传感器是其发展的最新阶段。以表面黏贴的光纤光栅传感器和被测基体的应变传递为背景,在光纤光栅传感特性研究的基础上,本文全面分析了表面黏贴式光纤光栅传感器的应变传递过程,研究了光纤光栅传感器在岩石试件表面、圆钢锚杆表面和相似模型内部的应变传递,以及影响应变传递的主要因素,设计了适用于岩石变形破坏监测的光纤传感器。这些研究成果对于提高人们对岩石力学行为的认知、扩大光纤传感技术的使用具有重要的理论和现实意义。 从光纤光栅传感特性出发,在考虑被测基体剪切模量的前提下,分析了裸光纤光栅直接黏贴在表面进行测试的应变传递过程,得出了裸光纤光栅表面直接黏贴的应变传递系数,并与被测基体表面开浅槽埋入裸光纤的检测方法的应变传递相比较。构建了基片式光纤光栅传感器表面黏贴应变传递的力学模型,分析应变传递过程,得出了在考虑基体力学性质的基片式光纤光栅传感器的应变传递规律,分析了其影响应变传递的因素。 针对实际监测的需要,设计了铜基片式光纤光栅传感器,并对其传感特性进行了试验研究,发现其保留了裸光纤光栅的应变传感线性特性。 开展了水泥砂浆试件光纤传感器测试实验研究。在一组水泥砂浆试件的表面黏贴裸光纤光栅和电阻应变片,另一组水泥砂浆试件的表面黏贴铜基片式光纤光栅传感器和电阻应变片,在万能材料试验机上进行单轴压缩实验,研究裸光纤光栅和铜基片式光纤光栅在岩石试件表面的应变传递系数,并与理论得出的应变传递系数比较。证明了铜基片式光纤光栅传感器与裸光纤光栅都可以用于岩石试件的变形检测中。 在模拟煤矿巷道锚杆支护的受力过程中开展了光纤传感器测试实验。将三个裸光纤光栅黏贴在圆钢锚杆的表面,进行全锚拉拔破坏实验,同时在杆身的对应位置黏贴电阻应变片,分析裸光纤光栅在圆钢锚杆表面的应变传递情况,高斯函数很好的拟合了由光纤光栅测试的全锚锚杆拉拔过程中的轴力。实验表明,高斯拟合参数t与岩体对锚杆杆体的握裹程度相关。 在平面应力物理模型中研究了基片式光纤光栅传感器的应变传递。将铜基片式光纤光栅传感器、醋酸乙烯封装的管式光纤光栅传感器和不锈钢封装的管式光纤光栅传感器分别应用于模型尺寸0.5m×0.5m×0.14m和3.0m×1.33m×0.2m的两个平面应力模型中,并在对应位置架设了百分表,分析了三种传感器的应变传递和对岩层变形的检测,结果发现,基片式光纤光栅传感器与岩层有更好的契合度,有稳定的应变传递,更适宜用于相似物理模型的实验测试中。 通过表面黏贴的光纤光栅传感器的应变传递研究,以及在岩石试件、圆钢锚杆和平面物理模型上的实验,理论分析和实验研究所得出的光纤光栅表面黏贴的应变传递规律,对表面黏贴的光纤传感技术用于固体材料检测具有重要的借鉴作用。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TD76

【参考文献】
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