發(fā)布時間：2017-09-13 15:08

  本文關(guān)鍵詞：光纖布拉格光柵的增敏封裝及定位安裝技術(shù)研究

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【摘要】：光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)具有體積小、熔接損耗小、耐腐蝕、不受光強(qiáng)波動的影響、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量、便于單光源的波分復(fù)用以及抗電磁干擾等優(yōu)良特性;且其諧振峰波長對溫度、應(yīng)變等物理量的變化比較敏感。因此,FBG在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而,裸光柵細(xì)小質(zhì)脆,易損壞,將其定位安裝于結(jié)構(gòu)件較困難;裸光柵的溫度、應(yīng)變靈敏度低,無法滿足對溫度、應(yīng)變分辨率要求高的工況。因此,FBG應(yīng)用于工程前需要對其進(jìn)行增敏和保護(hù)封裝。如何提高FBG溫度、應(yīng)變傳感特性以及如何成功將其安裝于工程結(jié)構(gòu)件表面或內(nèi)部,需要進(jìn)一步探索。本文針對FBG的增敏封裝及定位安裝技術(shù)等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容如下:1)為了對FBG進(jìn)行溫度增敏,提出了一種FBG毛細(xì)管式封裝工藝。采用此工藝對FBG進(jìn)行了封裝試驗(yàn),研究了封裝后FBG的溫度傳感特性。試驗(yàn)對比了FBG封裝前后的中心波長、動態(tài)響應(yīng)速度、中心波長穩(wěn)定性和溫度靈敏度等傳感特性。結(jié)果表明:封裝后的FBG中心波長增大了0.1~0.2 nm;封裝后的FBG溫度動態(tài)響應(yīng)速度基本不變;封裝后的FBG中心波長穩(wěn)定性有所降低,產(chǎn)生約0.3℃的測量波動;不同聚合物與毛細(xì)鋅管封裝的FBG溫度靈敏度分別提高到18.25pm/℃、21.87 pm/℃、35.13 pm/℃,約為裸光柵的1.9倍、2.3倍、3.6倍。建立了毛細(xì)管式封裝FBG的溫度傳感模型,通過對比試驗(yàn)值與理論值,相對誤差均在10%以下,從而驗(yàn)證了模型的正確性與可靠性�；谠摐囟葌鞲心Ｐ脱芯糠庋b材料參數(shù)對FBG溫度靈敏度的影響。2)采用化學(xué)鍍結(jié)合電鍍對FBG進(jìn)行了表面金屬化,分別實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍銅、鎳、鈷,以及在化學(xué)鍍后實(shí)現(xiàn)電鍍銅、鎳。研究了金屬化FBG的溫度靈敏度及失效溫度;針對鍍層材料參數(shù)對FBG溫度靈敏度的影響程度進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明:鍍銅FBG、鍍鎳FBG和鍍鈷FBG溫度靈敏度分別達(dá)到23.83 pm/℃、19.22 pm/℃和11.95 pm/℃;在20 min高溫環(huán)境下,金屬化FBG的失效溫度約為900℃,比裸光柵提高了約100℃;在一定范圍內(nèi),隨著熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比和鍍層厚度的增大,FBG的溫度靈敏度均能不同程度的增大。3)采用釬焊方法成功地將鍍鎳FBG分別埋入到銅基體、TC4基體和鋁合金基體中,觀察了釬焊接頭的橫截面顯微組織。對比了埋入后的FBG的中心波長和光譜變化。結(jié)果表明,不同焊接材料埋入的FBG中心波長漂移量分別為3.281nm、8.252 nm、5.784 nm;埋入的FBG的溫度靈敏度分別提高到26.9 pm/℃、22.77 pm/℃、28.65 pm/℃,約為裸光柵的3倍。采用ANSYS模擬了金屬化FBG埋入銅基板表面的釬焊過程中FBG中心波長漂移情況。溫度從230℃降到30℃,中心波長漂移值為ΔλB=-4.17 nm,與試驗(yàn)結(jié)果ΔλB=-3.281 nm相近。因此,模擬結(jié)果較為可靠,可以借助有限元分析計(jì)算FBG埋入到各種金屬基體后中心波長的漂移量,從而分析FBG焊后所受殘余應(yīng)力的大小。4)提出了一種將金屬化FBG定位安裝在金屬基體表面的電鍍安裝法。采用電鍍法成功將鍍銅FBG安裝在T2基板表面,將鍍鎳FBG安裝在Q235表面。對電鍍安裝的FBG的接頭質(zhì)量,接頭強(qiáng)度,光譜特性,溫度、應(yīng)變傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明:接頭強(qiáng)度高于金屬化FBG的抗拉強(qiáng)度,且金屬化FBG的抗拉強(qiáng)度提高到金屬化前的兩倍,電鍍接頭具有可靠的機(jī)械性能;安裝后光譜變化較小,且中心波長降低量在1 nm以內(nèi),說明電鍍后FBG的殘余壓應(yīng)力較小;溫度靈敏度提高到30.6 pm/℃,約為裸光柵的3倍;應(yīng)變靈敏度大幅提高,達(dá)到4.998×103 pm/με。因此,電鍍安裝的FBG具有良好的溫度、應(yīng)變傳感特性,電鍍法安裝FBG具有良好的可行性。
【關(guān)鍵詞】：光纖布拉格光柵 毛細(xì)管式封裝 金屬化 釬焊 電鍍 溫度靈敏度 應(yīng)變靈敏度
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN253
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 概論11-12
• 1.2 光纖光柵增敏及定位安裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀及分析12-17
• 1.2.1 光纖光柵的溫度增敏技術(shù)13-15
• 1.2.2 光纖光柵的應(yīng)力、應(yīng)變增敏技術(shù)15-16
• 1.2.3 光纖光柵的定位安裝技術(shù)16-17
• 1.3 光纖光柵傳感器的主要應(yīng)用17-19
• 1.3.1 航空航天的健康監(jiān)測17-18
• 1.3.2 橋梁建筑的健康監(jiān)測18
• 1.3.3 石油化工的健康監(jiān)測18-19
• 1.3.4 電力工程的健康監(jiān)測19
• 1.4 主要研究內(nèi)容及方案19-21
• 第2章 光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)和傳感原理21-25
• 2.1 光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)21
• 2.2 光纖光柵的傳感原理21-25
• 2.2.1 溫度傳感模型22-23
• 2.2.2 應(yīng)變傳感模型23-25
• 第3章 光纖光柵的毛細(xì)管式封裝及傳感特性研究25-41
• 3.1 概述25-26
• 3.2 光纖光柵的毛細(xì)管式封裝26-32
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料26-27
• 3.2.2 光纖光柵施加預(yù)應(yīng)力毛細(xì)管式封裝試驗(yàn)27-29
• 3.2.3 毛細(xì)鋅管封裝的光纖光柵的溫度傳感特性分析29-32
• 3.3 毛細(xì)管式封裝光纖光柵的溫度傳感模型32-37
• 3.3.1 FBG傳感原理32
• 3.3.2 熱應(yīng)力分析32-37
• 3.4 毛細(xì)管式封裝FBG溫度傳感模型的應(yīng)用37-40
• 3.4.1 試驗(yàn)與驗(yàn)證37-38
• 3.4.2 封裝材料性能和封裝結(jié)構(gòu)尺寸對溫度靈敏度的影響38-40
• 3.5 本章小結(jié)40-41
• 第4章 光纖光柵的金屬化及傳感特性研究41-64
• 4.1 概述41-42
• 4.2 光纖表面化學(xué)鍍預(yù)處理工藝42-44
• 4.2.1 去保護(hù)層、清潔和除油42-43
• 4.2.2 光纖表面的敏化43
• 4.2.3 光纖表面的活化43-44
• 4.3 光纖表面化學(xué)鍍工藝44-49
• 4.3.1 化學(xué)鍍銅基本原理44
• 4.3.2 化學(xué)鍍銅試驗(yàn)及結(jié)果44-45
• 4.3.3 化學(xué)鍍鎳基本原理45-46
• 4.3.4 化學(xué)鍍鎳試驗(yàn)及結(jié)果46-47
• 4.3.5 化學(xué)鍍鈷基本原理47-48
• 4.3.6 化學(xué)鍍鈷試驗(yàn)及結(jié)果48-49
• 4.4 金屬化光纖光柵表面電鍍工藝49-53
• 4.4.1 電鍍銅基本原理49
• 4.4.2 金屬化光纖光柵表面電鍍銅試驗(yàn)及結(jié)果49-51
• 4.4.3 電鍍鎳基本原理51-52
• 4.4.4 金屬化光纖表面電鍍鎳試驗(yàn)及結(jié)果52-53
• 4.5 金屬化光纖光柵的溫度傳感試驗(yàn)53-55
• 4.6 金屬化光纖光柵高溫失效試驗(yàn)55-58
• 4.6.1 失效過程的光譜特性56-57
• 4.6.2 功率衰減57-58
• 4.7 金屬鍍層對光纖光柵溫度傳感特性的影響58-63
• 4.7.1 仿真與分析58-61
• 4.7.2 試驗(yàn)與驗(yàn)證61-63
• 4.8 本章小結(jié)63-64
• 第5章 光纖光柵的釬焊法定位安裝及傳感特性研究64-72
• 5.1 概述64
• 5.2 光纖光柵埋入金屬基體實(shí)驗(yàn)64-66
• 5.3 光纖光柵溫度傳感特性試驗(yàn)66-68
• 5.3.1 光譜特性66-67
• 5.3.2 溫度靈敏度67-68
• 5.4 ANSYS有限元模擬68-70
• 5.5 本章小結(jié)70-72
• 第6章 光纖光柵的電鍍法定位安裝及傳感特性研究72-81
• 6.1 概述72-73
• 6.2 FBG的電鍍法定位安裝試驗(yàn)73-74
• 6.3 試驗(yàn)與討論74-80
• 6.3.1 光譜特性74-75
• 6.3.2 接頭強(qiáng)度75-76
• 6.3.3 溫度傳感特性76-79
• 6.3.4 應(yīng)變傳感特性79-80
• 6.4 本章小結(jié)80-81
• 第7章 總結(jié)與展望81-84
• 7.1 總結(jié)81-82
• 7.2 展望82-84
• 致謝84-85
• 參考文獻(xiàn)85-91
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果91-92

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本文編號：844417