【摘要】：光纖傳感器是一種伴隨著光通信技術(shù)而發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的力學(xué)傳感技術(shù)相比,光纖傳感器在面對惡劣的傳感監(jiān)測環(huán)境時具有顯著的優(yōu)點。在本研究中,為了提升光纖傳感器量程,降低傳感器成本,結(jié)合光時域反射技術(shù),開發(fā)了以光纖螺旋纏繞調(diào)制結(jié)構(gòu)為敏感元件的光纖應(yīng)變傳感器。形成了一整套由光纖敏感元件、封裝結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)分布式測量網(wǎng)絡(luò)、信號解調(diào)算法組成的光纖傳感系統(tǒng)�；跒r青混合料在碾壓荷載作用下的動態(tài)壓實有限元分析以及3D打印技術(shù)開發(fā)了適用于瀝青路面變形監(jiān)測的傳感器。最后,通過壓實實驗驗證了傳感器的工作性能,獲得了瀝青混合料壓實過程的實測數(shù)據(jù)。本文的主要內(nèi)容及成果如下:(1)基于光纖宏彎曲損耗原理,研究了光纖螺旋纏繞結(jié)構(gòu)對光纖光損耗系數(shù)的影響。使用Matlab軟件開發(fā)了光時域反射儀數(shù)據(jù)文件處理程序,對測量信號的噪聲分布以及去噪方法進(jìn)行了分析研究,提升了傳感信號的信噪比。通過數(shù)據(jù)分析及標(biāo)定測試,分析了可能影響光纖纏繞結(jié)構(gòu)傳感性能的因素,為測量設(shè)備的參數(shù)設(shè)置提供了指導(dǎo),提升了傳感性能。(2)開發(fā)基于圓形橡膠棒的纏繞式光纖應(yīng)變傳感器原型。對光纖纏繞過程中的最優(yōu)螺距、橡膠棒力學(xué)性能、傳感器信號解調(diào)等問題進(jìn)行了分析研究,驗證了光纖螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的傳感能力。對光纖纏繞式應(yīng)變傳感器的準(zhǔn)分布式復(fù)用方法以及解調(diào)方法進(jìn)行了研究,提升了傳感器的測量范圍,擴(kuò)展了傳感器的應(yīng)用場景。(3)從本構(gòu)模型出發(fā),使用ABAQUS有限元軟件對松散熱態(tài)瀝青混合料的動態(tài)壓實過程進(jìn)行模擬,獲得了瀝青混凝土路面壓實過程的變形特性。根據(jù)瀝青混合料壓實變形的特點,對該傳感器進(jìn)行實用化定制,使用彈簧替換橡膠棒作為彈性基材,研發(fā)了瀝青路面變形監(jiān)測的傳感器。使用理論計算、Matlab仿真、有限元分析等方法對影響傳感器應(yīng)變測量靈敏度的因素進(jìn)行了分析,基于分析結(jié)果對彈簧的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提升了傳感器的靈敏度。(4)應(yīng)用準(zhǔn)分布式復(fù)用技術(shù),搭建了包含3個傳感節(jié)點的準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。使用準(zhǔn)分布式傳感器監(jiān)測了車轍試件成型以及瀝青混凝土路面坑洞的填筑擊實過程中瀝青混合料的變形。實驗結(jié)果表明,三個傳感器準(zhǔn)確的測量到了瀝青混合料的豎向變形隨壓實次數(shù)的增加而逐漸增加,最終趨于穩(wěn)定的過程。證明本研究開發(fā)的傳感器可以對瀝青混合料壓實過程進(jìn)行監(jiān)測。本研究通過對纏繞式光纖光損耗調(diào)制結(jié)構(gòu)的研究,開發(fā)了一種新型光纖應(yīng)變傳感器,與商用光纖傳感技術(shù)相比大大提升了應(yīng)變傳感量程,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于定制的優(yōu)點。基于該技術(shù)開發(fā)了瀝青路面變形監(jiān)測傳感器,為解決瀝青混凝土路面施工中壓實次數(shù)難以控制、壓實度不足等問題提供了一種新型的傳感監(jiān)測方法,為大量程光纖傳感器的開發(fā)與應(yīng)用提供了新的思路。
【圖文】：

北京科技大學(xué)博士學(xué)位論文域反射技術(shù)邋ＯＴＤＲ邋（Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｏｍａｉｎ邋Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）最早由邋Ｂａｍｏｓｋｉ７６年提出［２吹該技術(shù)利用了激光雷達(dá)的概念，用于檢測光纖的損耗特一技術(shù)已經(jīng)成為檢測光纖衰減、斷裂和故障空間定位的常用手段。逡逑ＯＴＤＲ技術(shù)原理如圖２－４所示。這一技術(shù)利用了激光雷達(dá)的概念，將一束激光脈沖注入到光纖中，由于光纖本身存在著各種缺陷和雜質(zhì)，導(dǎo)致光脈沖在沿光纖向前傳播的過程中不斷發(fā)生損耗，能量不斷降低。光纖中的瑞利散射強(qiáng)度不斷降低（見圖２－５）。這樣，ＯＴＤＲ設(shè)備所的背向散射光強(qiáng)度隨時間而不斷降低。從激光器發(fā)射激光到背向散射到ＯＴＤＲ設(shè)備所需的時間就是光在光纖中傳播的時間。時間越長，備就會接收到越遠(yuǎn)的光纖反射回的激光。而該處光纖的損耗信息就可反射光強(qiáng)度進(jìn)行推算。目前，這一技術(shù)己經(jīng)成為了探測光纖損耗及損的主要手段。逡逑

１９７６年提出［２吹該技術(shù)利用了激光雷達(dá)的概念，用于檢測光纖的損耗特性，逡逑這一技術(shù)已經(jīng)成為檢測光纖衰減、斷裂和故障空間定位的常用手段。逡逑ＯＴＤＲ技術(shù)原理如圖２－４所示。這一技術(shù)利用了激光雷達(dá)的概念，激光逡逑器將一束激光脈沖注入到光纖中，，由于光纖本身存在著各種缺陷和雜質(zhì)，這逡逑就導(dǎo)致光脈沖在沿光纖向前傳播的過程中不斷發(fā)生損耗，能量不斷降低。所逡逑以光纖中的瑞利散射強(qiáng)度不斷降低（見圖２－５）。這樣，ＯＴＤＲ設(shè)備所檢測逡逑到的背向散射光強(qiáng)度隨時間而不斷降低。從激光器發(fā)射激光到背向散射光返逡逑回到ＯＴＤＲ設(shè)備所需的時間就是光在光纖中傳播的時間。時間越長，探測逡逑設(shè)備就會接收到越遠(yuǎn)的光纖反射回的激光。而該處光纖的損耗信息就可以通逡逑過反射光強(qiáng)度進(jìn)行推算。目前，這一技術(shù)己經(jīng)成為了探測光纖損耗及損傷位逡逑置的主要手段。逡逑邐耦合器邐＾邋光纖逡逑激光器邋邐邐ｉｗｚ邐逡逑光學(xué)傳感器邋邐？信號輸出逡逑圖２－４邋ＯＴＤＲ設(shè)備工作原理逡逑ｗ邋．邋＊邋瑞利散射光邋？邋ｏ／ｒ邐？邐輸入光逡逑前向，播光邐？多合邋？邐＜｜ＳＨ３３逡逑＜＾－Ｚ］邐＾邐．邐背向散射光逡逑S緬危傘㈠溫沖危懾危渝義賢跡玻等鵠⑸涔庠硎疽饌煎義洗送�，基釉忊险f娜鵠⑸涔獾模希疲模義澹ǎ希穡簦椋悖幔戾澹疲潁澹瘢酰澹睿悖澹模錚恚幔椋鑠澹粒睿幔歟垮義希螅椋螅╁騫餛滌蚍瓷浼際跏且恢址植際焦庀舜屑際

本文編號：2598965