光纤Bragg光栅测量理论及其在动力工程中应用的研究

论文摘要

随着对动力需求的提高,大型动力设备的应用越来越多,保障其运行的安全性和经济性首当其冲,因此动力设备的在线和间歇健康状态监测成为一个重要而必不可少的组成部分。同时,其监测所得数据为设备设计和优化运行提供可参考的依据。对于动力设备健康安全运行,需要先进的测量和监测手段,以保证及时维护和整治,避免重大事故发生。针对动力设备安全监测、经济运行,本文采用光纤Bragg光栅（Fiber Bragggrating,FBG）智能传感元件,研究其传感理论和特性,实验研究FBG温度和应变传感特性,并制作出FBG振动模态传感器、FBG相对湿度传感器、FBG折射率传感器、FBG液体浓度传感器、FBG气体浓度传感器以及解调和测试系统。为动力设备振动特性、腐蚀特性、噪音特性、温度和应力、泄漏、烟气成分、浓度和湿度等参数的监测提供有效手段。首先,本文研究了FBG的传感理论和特性,采用传输矩阵法对FBG反射光谱进行理论计算,充分认识和了解其温度和应变传感机理。计算结果表明折射率和光栅长度对FBG反射光谱影响很大。实验测试了FBG的温度和应变传感特性,其温度和应变灵敏度分别为10.2 pm╱℃和0.9742 pm/με。研究了多种FBG波长解调方法,包括光谱仪直接测量、基于波分复用器的边缘滤波法和可调谐窄带激光法等。其次,本文采用FBG对悬臂梁模态频率进行测量,对悬臂梁振动特性进行分析。同时采用模态分析系统（CRAS）对悬臂梁的振动特性进行测量,有限元软件（ANSYS）对悬臂梁的振动特性进行理论计算。三种方法的结果相同,证实基于FBG的测量方法可靠。然后利用FBG来测量汽轮机叶片在有无约束时的模态频率,结果表明FBG的测量方法可靠,从而引导FBG测量技术在动力工程中振动特性测量的应用开展。然后,本文采用FBG结合聚酰亚胺湿敏材料进行相对湿度测量。湿敏材料涂覆在FBG表面,湿敏材料把相对湿度的变化转化为应变的变化,作用于FBG,导致FBG特征波长发生变化,实现相对湿度传感。对湿敏材料、FBG湿度传感头、测试系统以及传感头的响应特性进行研究。实验结果表明当湿敏材料厚度为8μm时,湿度和温度灵敏度分别为-0.266 mV/%RH和-24.91 mV/℃,响应时间仅为5s,为开展烟气湿度、氢气湿度、煤炭湿度等的测量打下基础。再次,本文利用FBG和倏逝场吸收原理测量折射率。通过腐蚀变薄FBG所在的光纤包层,使得光纤纤芯传输光的倏逝场暴露于环境中,外界环境折射率变化引起FBG有效折射率变化,导致光栅的反射波长发生漂移,从而通过检测波长漂移实现折射率传感。当包层厚度为17μm时,折射率灵敏度为3.40 V/RIU。利用制作的变薄FBG折射率传感器应用于测量几种具有代表意义的化学物质（酸、醇、糖类）浓度,其浓度测量范围为0至饱和浓度,而且应用于纳米流体浓度测量。采用U型结构FBG来实现对折射率的增敏,相比直的变薄FBG,其灵敏度提高了25%。另外,针对微结构和微流体测量技术,本文研究了微结构FBG,实现对折射率和浓度测量。对微结构FBG的反射光谱进行数值模拟,结果表明微结构长度、深度、位置对反射光谱影响很大,其结果为微结构设计提供参考依据。采用包覆法和三层溶液法制作微结构,研究制作方法与工艺,开展折射率传感等实验研究。当微结构在光栅中间位置,长度为800μm,包层直径为14μm时,折射率测量范围为1.33～1.457,随着折射率增大,透射峰峰值所在的波长随之增大,折射率灵敏度为0.79 nm/RIU。对于目前波长解调分辨率为1 pm,传感器的折射率最小分辨率可达1.2×10-3。采用包覆法制作双微结构FBG,可实现温度和折射率（浓度）同时测量。最后,本文利用FBG的可调谐滤波特性来进行气体浓度测量。结合气体吸收理论,搭建了基于FBG的气体浓度测试系统,分别对CO和C2H2气体浓度测量进行了实验研究,获得气体吸收特性,光谱吸收峰特征。实验结果表明CO和C2H2气体—最大吸收峰值波长分别为1546.6nm和1531.52nm。结合FBG可调谐范围宽和易复用的优势,可以实现同时对多种气体识别以及气体浓度进行测量。根据上述的研究,本文寄予把FBG测量技术引入到动力工程研究领域,为动力设备安全监测和经济运行提供一种新的测试手段。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 动力工程设备健康监测与优化运行的研究与发展现状
• 1.2.1 动力工程设备健康监测的现状与发展趋势
• 1.2.2 动力工程设备优化运行的现状与发展趋势
• 1.3 设备健康监测和优化运行监测所用传感元件及测试器件
• 1.4 光纤光栅传感器的研究与应用发展概况
• 1.4.1 光纤光栅发展概况
• 1.4.2 光纤光栅的种类
• 1.4.3 光纤光栅的写入技术
• 1.4.4 FBG的传感应用
• 1.5 本文的研究思路及主要研究内容
• 1.5.1 研究思路
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 FBG传感机理及特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 FBG的结构和反射特性理论
• 2.2.1 FBG的结构
• 2.2.2 光波导和耦合理论
• 2.2.3 FBG特征参数
• 2.3 传输矩阵法分析FBG光谱
• 2.4 FBG的温度和应变传感原理
• 2.4.1 FBG温度传感模型
• 2.4.2 FBG应变传感模型
• 2.5 FBG波长的解调技术
• 2.5.1 光谱仪和多波长计解调法
• 2.5.2 可调谐滤波解调法
• 2.5.3 可调谐光源解调法
• 2.5.4 边滤波法
• 2.5.5 非平衡Mach-Zehnder干涉仪解调法
• 2.6 FBG波长解调及温度和静态应变实验
• 2.6.1 FBG光谱及波长解调实验
• 2.6.2 FBG的温度传感特性
• 2.6.3 FBG的应变传感特性
• 2.7 本章小结
• 第3章 FBG振动测量技术及其在动力工程中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 FBG的动态测量特性及DWDM解调方法
• 3.3 基于FBG的悬臂梁模态频率测量实验
• 3.3.1 测量系统及仪器
• 3.3.2 悬臂梁频率测量实验的结果与分析
• 3.3.3 基于CRAS系统测量悬臂梁振动模态的结果和分析
• 3.3.4 基于ANSYS软件的计算模态结果和分析
• 3.3.5 三种测量方法的结果比较分析
• 3.4 基于FBG测量汽轮机叶片静态频率
• 3.4.1 FBG测量自由叶片静态频率的结果与分析
• 3.4.2 CRAS系统测量无约束叶片的静态频率的结果和分析
• 3.4.3 FBG测量A型固定约束叶片静态频率的结果与分析
• 3.4.4 FBG测量叶片静频的结果分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FBG相对湿度传感实现及应用
• 4.1 引言
• 4.2 基于FBG相对湿度传感原理
• 4.2.1 FBG同时受温度和应变的响应
• 4.2.2 FBG同时受温度和湿度的响应
• 4.2.3 FBG相对湿度传感理论计算
• 4.3 湿敏材料与传感头的制作
• 4.3.1 湿敏材料的选择与准备
• 4.3.2 传感头的制作步骤及关键
• 4.3.3 传感头的标定方法
• 4.4 FBG相对湿度传感特性实验结果与分析
• 4.4.1 实验系统与准备
• 4.4.2 CWDM解调FBG波长
• 4.4.3 FBG相对湿度传感实验结果与分析
• 4.5 FBG相对湿度传感器的应用
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于变薄FBG的折射率传感及应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于变薄FBG的折射率传感原理
• 5.2.1 单模光纤倏逝场原理
• 5.2.2 FBG倏逝场折射率传感原理
• 5.3 FBG倏逝场折射率传感理论计算结果与分析
• 5.4 变薄FBG折射率传感实验准备
• 5.4.1 传感头的制作步骤及关键
• 5.4.2 折射率传感头的标定方法
• 5.5 变薄FBG折射率传感特性实验结果与分析
• 5.5.1 折射率传感特性实验系统
• 5.5.2 不同包层半径时传感器的折射率响应特性
• 5.5.3 传感器的折射率响应特性
• 5.5.4 传感器的温度响应特性
• 5.6 变薄FBG测量几种典型化学溶液浓度的应用
• 5.7 变薄FBG测量纳米流体浓度的应用
• 5.8 变薄U型FBG折射率传感研究
• 5.8.1 变薄U型FBG折射率传感头的制作与关键
• 5.8.2 变薄U型FBG折射率传感头的标定和测试系统
• 5.8.3 变薄U型FBG折射率传感结果与分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 基于微结构FBG的折射率传感及应用
• 6.1 引言
• 6.2 基于微结构FBG的折射率传感原理
• 6.2.1 微结构FBG结构
• 6.2.2 微结构FBG反射光谱模拟计算
• 6.3 包覆法制作微结构FBG及传感结果与分析
• 6.3.1 包覆法制作传感头的步骤及关键
• 6.3.2 折射率传感测试系统
• 6.3.3 微结构FBG对折射率传感的响应特性
• 6.4 三层溶液法制作微结构FBG及传感结果与分析
• 6.4.1 三层溶液法制作传感头的步骤及关键
• 6.4.2 折射率传感测试系统
• 6.4.3 微结构FBG对折射率传感的响应特性
• 6.4.4 微结构FBG对温度的响应特性
• 6.5 包覆法制作双微结构FBG及传感结果与分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 基于FBG的气体浓度传感及应用
• 7.1 引言
• 7.2 可调谐光源法测量气体浓度的原理
• 7.2.1 气体吸收原理
• 7.2.2 气体吸收光谱特征
• 7.2.3 可调谐光源扫描吸收光谱方式
• 7.2.4 气体浓度测量关键点
• 7.3 基于FBG的CO气体浓度传感
• 7.3.1 基于FBG的CO气体浓度传感实验系统
• 7.3.2 悬臂梁调谐FBG波长实验结果
• 7.3.3 基于FBG的CO气体浓度传感结果与分析
• 2H₂气体浓度传感'>7.4 基于FBG的C₂H₂气体浓度传感
• 2H₂气体浓度传感实验系统'>7.4.1 基于FBG的C₂H₂气体浓度传感实验系统
• 7.4.2 PZT调谐FBG波长实验结果
• 2H₂气体传感结果与分析'>7.4.3 基于FBG的C₂H₂气体传感结果与分析
• 7.5 结论
• 第8章 结论、展望及创新点
• 8.1 全文结论与展望
• 8.2 本论文的创新点
• 参考文献
• 符号说明
• 攻读博士学位期间主要的研究成果