基于聚合物光纤的超大应变测量技术研究

论文摘要

超大应变的测量在飞机机翼的拉伸、钢管爆破、土工织物、新型高分子材料、结构材料采用极限设计等的研究中,具有重要的意义。光纤应变传感器已经成为世界上应用广泛的传感器之一,具有许多电传感器不可比拟的优点,如不受电磁场以及其他外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、绝缘性好、可实现分布测量等,已经广泛应用于建筑、石油、化工等领域。聚合物光纤具有优异的耐辐照性能,模量低、较柔软、直径较大、数值孔径大,易连接耦合,重量轻、成本低等优点。将聚合物光纤应用于超大应变测量领域中,利用聚合物光纤独特的物理性能,通过理论分析和实验研究,研制出了一种新型的基于聚合物光纤的超大应变传感器。完成的主要内容如下:(1)完成基于强度调制的聚合物光纤超大应变传感器的理论分析。分析了引起聚合物光纤传输光损耗的各种因素,对聚合物光纤的弯曲损耗做了较详细的分析,建立了关系式,经微分,建立了理想传感器结构的应变—光纤弯曲损耗的数学模型;分析了传感器灵敏度与光纤直径、数值孔径等因素的关系;对实际的传感器结构和影响传感器灵敏度、线性度等性能的决定性因素做了分析。(2)搭建了超大应变传感测量系统。对搭建的强度调制型测量系统的噪声做了分析,设计了光源驱动电源、耦合光路、光电转换电路和A/D采集卡等功能模块,系统作了降噪处理,满足测试要求。(3)进行了聚合物光纤超大应变传感器的实验研究。实验主要分为两部分,一是对不同的光源,不同的传感器结构进行了实验研究。通过对实验结果做分析对比,探寻出了一种新型的超大应变传感器,其结构简单,线性好,灵敏度较高,能够实现超大应变测量;二是对传感器的性能进行了详细的实验分析,对传感器的稳定性,重复性,迟滞等性能指标做了认真的实验研究。(4)多点分布式大应变测量的探索研究。应变的分布式测量具有重要的意义,通过对具有代表意义的两点的空分复用技术的研究,探索了所研究的传感器应用于超大应变的分布式测量的可行性。通过研究,成功探索出一种新型的基于聚合物光纤的超大应变传感器,其测量范围高达到16%以上,具有良好的线性,稳定性,重复性,有良好的应用前景。通过对两点的复用式测量的研究表明,此传感器可用于超大应变的分布式测量,有着巨大的应用潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超大应变测量技术概述与研究动态
• 1.2.1 电阻式超大应变传感器
• 1.2.2 光纤传感器测量超大应变
• 1.2.3 超大应变的其他测量方法
• 1.3 聚合物光纤的发展
• 1.4 本课题的国内外研究背景和主要内容
• 第二章 聚合物光纤应变传感器的传感机理
• 2.1 聚合物光纤特性
• 2.2 聚合物光纤的弯曲损耗分析
• 2.2.1 光纤的辐射损耗分析
• 2.2.2 光纤的弯曲过度损耗分析
• 2.3 聚合物光纤超大应变传感器的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 超大应变传感系统的设计与实现
• 3.1 测试系统的总体设计
• 3.1.1 测量误差分析
• 3.1.2 系统总体结构设计
• 3.2 传感系统光源
• 3.2.1 传感系统光源的选择
• 3.2.2 光源驱动电路的设计
• 3.3 光电转换与滤波电路的设计
• 3.3.1 光电转换
• 3.3.2 滤波电路的设计
• 3.4 A/D 采集模块设计
• 3.5 传感系统性能测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 超大应变传感实验与分析
• 4.1 传感器结构的实验研究
• 4.2 传感器的量程分析
• 4.3 传感系统标定实验
• 4.4 稳定性实验
• 4.5 重复性实验
• 4.6 迟滞实验
• 4.7 传感器的交变应变实验
• 4.8 传感器的温度特性实验
• 4.9 本章小结
• 第五章 多点超大应变测量技术的研究
• 5.1 多点测量原理分析
• 5.2 多点测量系统的建立
• 5.3 多点测量实验研究
• 5.3.1 光开关特性的实验研究
• 5.3.2 两点应变的复用式测量实验研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文的总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢