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声表面波的光纤检测方法研究

徐贵鹏  
【摘要】:光纤传感器技术是工业化和信息化的前沿关键技术之一。一方面,由于自然灾害的惨痛教训,基础设施和特种容器的安全问题日益得到重视;另一方面,石油化工、汽车、船舶、飞机制造等行业的迅猛发展,也迫切需要一种有效手段,用以检测各种设备的安全状况。本文目的是探索一种方法,将光纤传感器技术与声表面波理论结合起来,用来检测材料的性能。 本文介绍了声表面波的基本性质,详细阐述了声表面波在各向同性介质和各向异性介质中的传输特点;采用有限元方法构建了光纤与声表面波相互作用的模型,对嵌入被测材料内光纤传感单元的应力应变性质进行了理论分析和有限元仿真计算。用Bessel函数推导了光纤检测声表面波输出干涉信号的数学形式,将输出信号分为时不变和时变两个部分,并对输出结果进行了展开;从理论角度解释了影响光纤传感器对声表面波信号测量精确度的因素。用Sagnac、Michelson、Mach-Zehnder三种典型的光纤干涉型传感器对声表面波进行了频率特性的测定。并进行了信号仿真实验。从实验角度,验证了光纤传感器技术和声表面波理论推导出的结论。 最后阐述了固体材料的弹性模量的相关性质和运算公式,总结了一些典型固体材料的弹性模量取值范围。根据固体中的声波传播原理推导出固体材料的弹性系数与波速之间的关系,推导出固体材料中声波速度与弹性常数,即杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比之间的关系。建立了双Sagnac光纤传感器和双Michelson光纤传感器两个实验系统,通过光纤传感器对在固体材料中传播的声表面波和纵波波速的测定,进而求出了所要测得的相关参数。实验结果初步证明,采用光纤传感器对固体材料的弹性常数进行测定是完全能够实现的。为光纤传感器对声表面波信号的检测设计了一种崭新的方案。


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