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分布式光纤应变传感系统设计与研究燕山大学硕士学位论文分布式光纤应变传感系统设计与研究姓名：于涛申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：王玉田;侯培国20050901摘要摘要分布式光纤应变传感器是近年来开始研究的新型传感技术，由于它可以感知传输路径上应变、压力的空间分布和随时间变化的信息，分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与没备方面有重要的应用前景。论文在前人关于非线性光学、布里渊光谱学以及分布式光纤应变传感器的研究基础上，围绕改进系统性能，建立了比较完整的分布式光纤应变传感系统设计的数学建模以及各项参数的计算，为合理的进行系统设计奠定了理论基础。论文研究内容主要包括以下几个方面：1首先论述了分布式光纤传感器的国内外研究状况和几种用于检测的基本方法。通过对多种可行的布里渊分布式光纤应变传感技术方案的比较、分析，立足于制造工艺、系统精度和国内外现有元器件，选择了基于受激布里渊散射的分布式光纤应变传感方案。2给出了受激布里渊散射光的定量描述，引入布里渊功率阈值的概念。经过定量分析，论证了布里渊散射光与光纤应变、温度呈良好的线性关系，并给出参数计算的过程，为正确应用分布式光纤应变传感系统提供了理论依据。3给出了分布式光纤应变传感系统的结构框图，并对传感系统的各个部分进行了讨论，选取了激光器工作波长，完成了两个激光器的驱动电路设计。f4介绍系统设计过程中几个关键闯题的解决，提出对于该系统的一种新的温度补偿方案。完成了部分传感系统实验，为系统的整体实现打下了峰实的基础。关键词应力传感；分布式光纤；0TDR技术：布里渊散射；马赫．曾德干涉仪；燕山大学工学硕士学位论文AbstractDistributedfiberstrainsensorisanewopticalsensingtechniquearisingdevicehasinstructureandrecently．ItimportantforegroundapplicationheavysuchasvesselandSOmulfilayeritCandistributionon，sincespatialofstrainandonappereeivepressuretransmissionandinformationwithtime．Basedonofpathchangedstudynonlinearanddistributedfiberstrainoptics，Brillouinspectroscopyopticalsensorofofpredecessors，surroundingimprovementsystemperformance，weestablishedamathematicmodelofdistributedrelativelycompletebuildingfiberstrainandcalculationofeachopticalsensingsystemperformedparametertoforestablishtheoreticalbasisreasonablesystemdesign．asfollows：Thestudiesareprimaryweintroducedstatusandseveralbasicmethodsof1Firstlystudydistributedfibersensorbothhomeandandabroad．ByopticalcomparisonoffeasibleschemesforBrillouindistributedfiberstrainanalysismanyopticalonandbasedfabricationsensingtechnique，andprocess，systemprecisionofhomeandchosedistributedabroad，weexistingcomponentsfinallyopticalwasBrillouinfiberstrainschemewhichbasedonstimulatedscattering．sensinginlightfiber，we2ThroughintroducingscatteringopticalpresentedofstimulatedBrillouinlight，andimportedquantitativedescriptionscatteringofBrillouinthreshold．B，quantificationallyanalyzing，weconceptpowerbetweenanddemonstratedlinearBrillouinlightgoodrelationshipscatteringofalsooffiber，andparameterstrain，temperatureopticalpresentedprocessfordistributedfibercalculation，whichprovidedtheorycorrectlyusingopticalstrainsensingsystem．showedstructurefordistributedfiberstrain3Wediagramopticaleachofthesystem，selectedworkingsensingsystem，discussedpartsensinglIAbstraetofcircuit’sfortwolasers．laser，anddesignwavelengthaccomplisheddrivingsolutionofseveralissuesof4Introducingkeysystemdesign，andputtinganewschemeforthisforwardoftemperaturecompensationsystem．Partsareandfirmbasisforofsensingsystemexperimentcompletedimplementationwholearesettled．systemStrainKeywordssensor；Distributedopticalfiber；OTDRtechnique；Brillouininterferometerscattering，Mach―ZehnderIII第1章绪论第1章绪论1．1引言随着多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、海底隧道等大型现代化建筑与设备的发展，人们对各种随时间和空间分布变化信息如应变、温度、流速k控要求也越来越高【l】。由于材料的应变决定着建筑物与设备等的,'…i一。邑，IJ―I的使用，因此对物体应变的测量具有十分重要的意义。由于光纤具有径细、柔韧、绝缘、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高、响应速度快、重量轻、体积小等优点，所以利用光纤进行测量，对测量对象几乎不会产生干扰，便于安放，在易燃易爆环境中工作安全可靠、工作频带宽，动态范围大，可实现对被测量的遥测遥感【2jJ。分布式光纤传感器是将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术，去感知光纤传输路径上待测场如温度、压力的空间分布和随时问变化的信息14j。分布式光纤传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与设备方面有重要的应用前景【5]，目前已有利用分布式光纤传感器对静止电缆桥、飞机多层结构冲击探测等方面进行实验的报道。近年来，分布式光纤应力应变传感技术在复合材料中的应用受到高度重视。在复合材料中埋入光纤，好似结构有了神经系统，从而赋予结构智能功能，以监控结构的制造过程及运行状态【6j。1．2分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量【”。分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为【8】：1分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤，光纤传感器采用光信燕山人学工学硕士学位论文号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；2现代的大型或超大型结构通常为数公里、数十公里甚至上百公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而且成本较高，但是通过布设具有分布式特点的光纤传感器，光纤既作为传感体又作为传输介质，可比较容易实现长距离、分布式监测；3光纤本身轻细纡柔，光纤传感器的体积较小、重量较轻，便于布设安装，此外，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小；4分布式光纤最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任意点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路；5分布式光纤传感系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；6检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；7由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需要较长的时间【9】。1．3分布式光纤传感器的发展现状分布式光纤传感技术是70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射OTDR技术的出现而发展起来的。在这短短的I几年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。美国开始光纤传感器的研究最早大约是1977年，投资最大，仅1983年就投资12～14亿美元，主要集中在光纤传感器系统Foss、现代数字光监控AEM等计划上口o／。英国政府特别是贸易工业部DTI十分重视光纤传感技术，早在1982年由该部为首成立了英国光纤传感器合作协会OSCA。第1章绪论德幽的光纤陀螺的研究规模和水平仅次于美国而孱世界第二位。法困、瑞十、意大利等国也开展了光纤传感器的研究工作。日本制定了1979―1986年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资70亿美元i“。在应力、应变检测方面，美国佛蒙大学1992年将分布式光纤应力应变传感器安装在成努期基河水电站坝内，以监测未来五十年内水坝的安全性，该传感器可实时报告大坝遭受洪水和巨大震动后的情况…】。Escoder等在混凝土梁的三点弯曲试验中，将单模光纤传感器贴于梁表面和埋入粱内，使用干涉技术测量其应变，所得结果显示了在不改变正常浇筑情况下，将光纤埋入混凝土构件的可行性【121。Hindriek等将单模光纤埋入混凝土和土壤的飞行跑道上，检测其应力分布【13l。我国光纤传感器的第一次全国会议是在1983年，到目前为止，虽有长足进展，但离发达国家的研究水平仍存在不小的差距。在应力、应变检测方面，也有较深入的研究。重庆大学“国家教委光电技术及系统开放实验室”于1995年获准国家自然科学基金资助，应变传感机理选用布拉格光栅FGB。布拉格光栅是国际上光纤传感技术的前沿热点。它属于相位型，借助光栅中心波长的漂移，感知环境参量应变、温度等，灵敏度高，抗干扰能力强，传感结构简单，易于实现准分布检测。清华大学电子工程系近年也开展了混凝土应变光纤传感技术的研究，重点在梳状光栅型传感器，用于混凝土表面应变测试试验，已取得较好效果。由于我国在这一领域起步较晚，与国外相比有一定的距离，目前基本上处于实验室研究阶段。1．4分布式光纤传感的几种方法分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射OTDR技术发展起来的～种新型传感技术，由于它具有其它传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点【141。从上世纪七十年代末提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展，并在以下四个方面取得了突破：1基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；热山大学r学硕士学位论文2基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；3基于布里渊散射的分布式光纤传感技术；4基于前向传输模