应用于混凝土坝体温度测量的激光干涉技术研究

论文摘要

光纤温度传感器因其具有防燃、防爆、不带电、抗电磁干扰、抗腐蚀、能在有害环境中安全运行等一系列优点,因而得到日益广泛的应用。而干涉型光纤温度传感器以全光纤、灵敏度高、能实现多路传感及传感量广等优点,在光纤温度传感器中占有十分重要的地位。本课题所研究的是用于混凝土坝温度测量的激光光纤干涉型传感器,是基于混凝土坝环境变化复杂,又要考虑多点测温、安全和远距离信号传输的要求而提出的。该传感器将激光干涉与光纤技术结合起来,能够实现坝体温度多点测量,具有极好的防电磁干扰、防爆和绝缘特性。 本文首先对满足高精度要求的传感器测头的结构进行了优化设计,该传感器测头以其独特的结构克服了传统的干涉型光纤温度传感器易受环境扰动影响的缺点。同时结合传感头的结构及测量原理建立了该测温系统的数学模型。 针对因采用保偏光纤而使输出信号比较微弱的特点,突破了传统的光纤干涉仪的光电检测方法,采用具有自扫描、高灵敏度、高分辨力、体积小、重量轻、机械抗震强度好和反映像素位置准确等优点的CCD器件拾取干涉条纹信号来实现光电转换。针对混凝土的施工对光纤的干扰,对光纤设计了一种新的结构,提高了测量精度、减小了测量误差;在研究混凝土施工中温度变化特性的基础上,提出了传感器在坝体测温时的标定方法。 针对于涉图的特点选取了合适的图像处理方法。针对坝体温度变化比较复杂的情况,编制的软件可对所获得的条纹图像数据进行自动条纹提取,以获得与温度变化量有关的条纹位移信息。所有处理过程都由微机自动完成,大大提高了测量的速度。 该系统经实验验证,达到了分辨力为0.01℃的要求,而且该温度测量系统具有自动、高精度、快速实时等优点,是实现温度自动化测量的一个新途径,在坝体温度测量及其它恶劣环境下温度的检测中有着非常诱人的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外光纤传感技术研究综述
• 1.2.1 光纤传感技术在结构损伤评估、裂缝中的应用
• 1.2.2 光纤传感技术在应力、应变、挠度检测中的应用
• 1.2.3 光纤传感器在温度检测中的应用
• 1.3 光纤传感器温度测量方法概述
• 1.3.1 光纤功能型温度传感器
• 1.3.2 光纤传输型温度传感器
• 1.4 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5 本章小结
• 第2章 传感器的总体设计
• 2.1 测量方法的选取
• 2.1.1 传感型光纤传感器调制原理
• 2.1.2 光纤干涉仪
• 2.2 光纤测温原理及测头设计
• 2.3 测温流程
• 2.4 光纤测温数学模型的建立
• 2.5 灵敏度的计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 传感器测量器件选择及铺设
• 3.1 传感器测量器件选择
• 3.1.1 光源的选择
• 3.1.2 光纤模式的选择
• 3.1.3 光纤定向耦合器
• 3.1.4 光电探测器件
• 3.2 光纤传感器铺设及温度标定
• 3.2.1 光纤传感器的铺设
• 3.2.2 光纤传感器的温度标定
• 3.3 本章小结
• 第4章 干涉条纹图处理分析
• 4.1 干涉条纹图采集
• 4.2 干涉条纹图形成机理及特性
• 4.2.1 干涉条纹图形成机理
• 4.2.2 干涉条纹图数学形式与特性
• 4.2.3 干涉条纹图噪声
• 4.3 干涉条纹图预处理
• 4.3.1 干涉条纹图直方图处理
• 4.3.2 干涉条纹图中值域滤波
• 4.3.3 干涉条纹图锐化
• 4.4 干涉条纹图细化
• 4.5 坝体温度的反演
• 4.5.1 干涉条纹的标记
• 4.5.2 干涉条纹位移量的确定
• 4.5.3 干涉条纹位移量与温度变化量的关系
• 4.7 本章小结
• 第5章 误差分析与实验结果分析
• 5.1 系统误差分析
• 5.1.1 马赫一泽德尔干涉仪误差
• 5.1.2 CCD摄像机误差
• 5.1.3 图像采集卡误差
• 5.1.4 测量系统总误差
• 5.2 干涉图像处理误差
• 5.3 试验结果分析
• 5.3.1 温度的标定
• 5.3.2 重复性试验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A（攻读硕士学位期间所发表的论文）