温度与应变同时作用下光纤Bragg光栅传感器的研究与应用

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光纤Bragg光栅(FBG)作为波长调制型传感器因为其具有的特定物理性质,可对温度、应变、速度、加速度、倾角、电磁场、超声波、浓度等物理量的测量。自批量化低成本生产后,FBG已经应用于各行各业领域的监测中。研究温度和应变同时作用下FBG的传感特性,对FBG传感器区分温度和应变同时测量,以及把握温度和应变交叉敏感因素对FBG传感器精度提高具有重要的意义。  本文针对温度与应变同时作用下FBG传感器区分温度和应变同时测量,以及受到温度和应变交叉敏感影响的问题,做出具体的主要工作为:  1)系统分析了FBG温度和应变传感特性,针对FBG温度和应变灵敏度系数是温度和应变的函数进行讨论。采用二元泰勒级数展开方法和固体热膨胀原理分析了FBG温度和应变传感特性与温度和应变同时作用下的交叉敏感原因。在此基础上,提出FBG温度灵敏度修正因子的方法,以提高FBG传感器中的FBG静力水准仪的精度。  2)实验验证悬挂重物的FBG和表贴于悬臂梁上的FBG存在温度和应变交叉敏感,从量化的角度得出FBG温度和应变交叉敏感的程度,在此基础上,实验验证FBG温度灵敏度修正因子的方法对FBG静力水准仪修正的有效性。  3)以FBG传感技术首次在武汉越江隧道联络通道冻结法施工冻土温度和应变监测为背景,阐述了采用2根FBG对温度与应变同时作用下冻结法施工中的冻土温度和应变的区分同时监测。  4)以FBG静力水准仪在某高速铁路路基沉降监测为背景,发现FBG静力水准仪在实际应用过程中虽然已经进行温度补偿,但仍然存在环境温度对FBG静力水准仪信号输出的问题。以温度灵敏度修正因子方法修正FBG的信号输出,精度提高约一个数量级。
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