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矿山安全生产监测FBG传感设计及系统研究

杜怀光  
【摘要】:光纤光栅是近十多年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件。具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、良好的应力和温度特性的光纤布喇格光栅(FBG, Fiber Bragg Grating)传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一 FBG能够实现将传感信息波长编码,它的性能优于光强编码或相位编码的光纤传感器。目前国内的土木、桥梁、建筑、大坝等应用引进各种仪器用于结构的健康监测,但对FBG传感器的工程化设计以及FBG传感监测分析系统的研究甚少,离工程实用化还有一定的距离。 本文介绍了光纤光栅传感器的传感特性和优越性,对基于FBG工程实用化的液压传感器和压力环进行了理论分析、有限元模拟和结构设计,并进行了相应的室内实验,然后开发了FBG监测分析系统,设计了相应的数据库,该系统采用基于可调谐激光器扫描法进行波长解调,集数据采集、传感器配置和标定、实时存储和显示、历史及报警数据查询、打印、网络通讯等功能为一体,方便、简洁、智能化、人性化,并在实验中应用。 本文的主要研究内容如下: 1)简要介绍了FBG传感技术的研究现状、传感原理、温度和应变传感特性及其交叉敏感问题; 2)设计了基于FBG的矿用液压传感器、压力环,封装了基于贴片式FBG的锚杆,并用有限元分析模拟了传感器在载荷作用下的变形以及光纤光栅伸长或压缩的位移,找到了最有效的光栅粘贴位置,并对光栅传感器的压力增敏技术进行了分析和总结; 3)分析了分布式FBG传感测量的原理,并介绍了课题中用到的解调设备和解调方法,提出了一种在矿山安全生产监测中应用分布式FBG传感的方案; 4)基于解调仪开发了光纤光栅监测与分析软件,采用专业的工控开发语言LABVIEW,并加入MYSQL数据库,实现数据的采集、实时存储及显示、历史查询、报表打印等功能。


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