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锥形光纤光栅应变传感器及解调技术研究

杨先辉  
【摘要】: 应变和温度的传感技术研究在智能材料与结构领域以及结构健康监测领域中占据着十分重要的位置。光纤光栅传感器由于其自身所具有的独特优点,已经逐渐发展成为各种场合中对应变、温度等多种参量进行传感、监测的首选元件,其制作技术、信号解调技术的研究以及应用领域的拓展都达到了前所未有的高度。 然而,光纤光栅传感器在应用中还存在着一些限制,其中比较突出的有光纤光栅传感器的温度-应变交叉敏感以及传感信号解调装置结构复杂、价格昂贵等问题,对这些问题的妥善解决是保证光纤光栅传感器性能、促使其进一步走向工程实用化的关键,具有重要的理论价值和工程意义。 本文在大量查阅国内外相关文献的基础上,对光纤光栅的传输理论、传感机理及其信号解调技术进行了深入研究,提出了一种可用于解决温度-应变交叉敏感的光纤光栅应变传感器设计方案,并通过实验对该应变传感器的性能及其传感信号解调装置进行了深入研究,取得了满意的效果。论文的主要创造性研究工作如下: 在分析已有的锥形光纤光栅传感器机理和优缺点的基础上,提出了一种锥形光纤光栅应变传感器设计方案。该方案基于对锥形光纤光栅反射光的带宽解调,具有传感信号为波长调制的特点;结构简单,容易实现。实验结果表明,所设计的锥形光纤光栅应变传感器在宽范围内对温度不敏感,对应变/应力具有线性敏感特性,提高了应变测量的准确度;易组成分布式传感网络,对智能结构应变检测和结构健康监测有重要意义。 在分析锥形光纤光栅反射光带宽特性的基础上,提出了锥形光纤光栅传感器反射光带宽调制与解调方法。将待测应变转换成锥形光纤光栅反射光的带宽变化,故避免了温度影响。将反射光中心波长与带宽调制相结合,可实现应变和温度的同时测量。这一方法较双波长移位传感方法具有结构简单、容易实现、成本较低等优点。 在反射光带宽解调时,为了提高准确性,提出了“阈值限制”的预处理方法。即通过设定阈值来对传感信号进行筛选,只对满足要求的信号进行下一步的处理。实验表明这种方法有效避免了反射光中的旁瓣信号对测量结果的影响,提高了测量的精度;同时减少了数据处理量,提高了解调速度,对锥形光纤光栅的分布式应用有较大意义。 在研究光纤光栅的综合问题时,分别提出了基于模拟退火和遗传机理的光纤光栅参数重构方法。这两种方法基于同一种思想,即在设定光纤光栅各物理参数的离散化取值范围的基础上,通过不同的参数组合来使计算反射谱符合或逼近目标反射谱,从而将光纤光栅的参数重构问题转化成为组合优化问题,通过模拟退火算法和遗传算法来进行求解。仿真实验验证了这两种方法的有效性,可用于解决针对给定反射谱的光纤光栅综合问题。


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