隨著對動力需求的提高,大型動力設備的應用越來越多,保障其運行的安全性和經(jīng)濟性首當其沖,因此動力設備的在線和間歇健康狀態(tài)監(jiān)測成為一個重要而必不可少的組成部分。同時,其監(jiān)測所得數(shù)據(jù)為設備設計和優(yōu)化運行提供可參考的依據(jù)。對于動力設備健康安全運行,需要先進的測量和監(jiān)測手段,以保證及時維護和整治,避免重大事故發(fā)生。 針對動力設備安全監(jiān)測、經(jīng)濟運行,本文采用光纖Bragg光柵(Fiber Bragggrating,FBG)智能傳感元件,研究其傳感理論和特性,實驗研究FBG溫度和應變傳感特性,并制作出FBG振動模態(tài)傳感器、FBG相對濕度傳感器、FBG折射率傳感器、FBG液體濃度傳感器、FBG氣體濃度傳感器以及解調和測試系統(tǒng)。為動力設備振動特性、腐蝕特性、噪音特性、溫度和應力、泄漏、煙氣成分、濃度和濕度等參數(shù)的監(jiān)測提供有效手段。 首先,本文研究了FBG的傳感理論和特性,采用傳輸矩陣法對FBG反射光譜進行理論計算,充分認識和了解其溫度和應變傳感機理。計算結果表明折射率和光柵長度對FBG反射光譜影響很大。實驗測試了FBG的溫度和應變傳感特性,其溫度和應變靈敏度分別為10.2 pm╱℃和0.9742 pm/με。研究了多種FBG波長解調方法,包括光譜儀直接測量、基于波分復用器的邊緣濾波法和可調諧窄帶激光法等。 其次,本文采用FBG對懸臂梁模態(tài)頻率進行測量,對懸臂梁振動特性進行分析。同時采用模態(tài)分析系統(tǒng)(CRAS)對懸臂梁的振動特性進行測量,有限元軟件(ANSYS)對懸臂梁的振動特性進行理論計算。三種方法的結果相同,證實基于FBG的測量方法可靠。然后利用FBG來測量汽輪機葉片在有無約束時的模態(tài)頻率,結果表明FBG的測量方法可靠,從而引導FBG測量技術在動力工程中振動特性測量的應用開展。 然后,本文采用FBG結合聚酰亞胺濕敏材料進行相對濕度測量。濕敏材料涂覆在FBG表面,濕敏材料把相對濕度的變化轉化為應變的變化,作用于FBG,導致FBG特征波長發(fā)生變化,實現(xiàn)相對濕度傳感。對濕敏材料、FBG濕度傳感頭、測試系統(tǒng)以及傳感頭的響應特性進行研究。實驗結果表明當濕敏材料厚度為8μm時,濕度和溫度靈敏度分別為-0.266 mV/%RH和-24.91 mV/℃,響應時間僅為5s,為開展煙氣濕度、氫氣濕度、煤炭濕度等的測量打下基礎。 再次,本文利用FBG和倏逝場吸收原理測量折射率。通過腐蝕變薄FBG所在的光纖包層,使得光纖纖芯傳輸光的倏逝場暴露于環(huán)境中,外界環(huán)境折射率變化引起FBG有效折射率變化,導致光柵的反射波長發(fā)生漂移,從而通過檢測波長漂移實現(xiàn)折射率傳感。當包層厚度為17μm時,折射率靈敏度為3.40 V/RIU。利用制作的變薄FBG折射率傳感器應用于測量幾種具有代表意義的化學物質(酸、醇、糖類)濃度,其濃度測量范圍為0至飽和濃度,而且應用于納米流體濃度測量。采用U型結構FBG來實現(xiàn)對折射率的增敏,相比直的變薄FBG,其靈敏度提高了25%。 另外,針對微結構和微流體測量技術,本文研究了微結構FBG,實現(xiàn)對折射率和濃度測量。對微結構FBG的反射光譜進行數(shù)值模擬,結果表明微結構長度、深度、位置對反射光譜影響很大,其結果為微結構設計提供參考依據(jù)。采用包覆法和三層溶液法制作微結構,研究制作方法與工藝,開展折射率傳感等實驗研究。當微結構在光柵中間位置,長度為800μm,包層直徑為14μm時,折射率測量范圍為1.33～1.457,隨著折射率增大,透射峰峰值所在的波長隨之增大,折射率靈敏度為0.79 nm/RIU。對于目前波長解調分辨率為1 pm,傳感器的折射率最小分辨率可達1.2×10~(-3)。采用包覆法制作雙微結構FBG,可實現(xiàn)溫度和折射率(濃度)同時測量。 最后,本文利用FBG的可調諧濾波特性來進行氣體濃度測量。結合氣體吸收理論,搭建了基于FBG的氣體濃度測試系統(tǒng),分別對CO和C_2H_2氣體濃度測量進行了實驗研究,獲得氣體吸收特性,光譜吸收峰特征。實驗結果表明CO和C_2H_2氣體—最大吸收峰值波長分別為1546.6nm和1531.52nm。結合FBG可調諧范圍寬和易復用的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)同時對多種氣體識別以及氣體濃度進行測量。 根據(jù)上述的研究,本文寄予把FBG測量技術引入到動力工程研究領域,為動力設備安全監(jiān)測和經(jīng)濟運行提供一種新的測試手段。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2008
【中圖分類】：TH17
【部分圖文】：

因此，本文利用光纖傳感中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N傳感元件FBG，基于FBG調制和解調(見圖1一1)原理，通過特殊的設計和封裝，制作應變和溫度傳感器，振動模態(tài)傳感器、相對濕度傳感器、折射率傳感器、液體濃度傳感器、氣體濃度傳感器等，把FBG引入到動力工程研究領域，實現(xiàn)對動力設備的健康監(jiān)測與優(yōu)化運行參數(shù)進行監(jiān)測。外界f丫、j(物理、化學’!物稱;.協(xié)陽陽(i{專，洛:乙f‘}}}圖1一 1FBG傳感元件調制與解調信息

OSABr筆ggrating圖1一5接觸式光纖光柵寫入示意圖非接觸式寫入法是指光纖與相位掩模板不接觸，士1級衍射光經(jīng)過一定光程后再相遇干涉對光纖進行曝光，如圖1一6所示[’341。

光纖光柵屬于迅變光波導，在考慮模式禍合的時候，只能使用矢量模禍合方程(2一9)來進行光纖光柵特征的理論計算。實際使用中，模式禍合主要發(fā)生于基模的正向模與反向模之間，見圖2一2[36]。~一竺二紅一(一心·“·】一“一“‘’~“一二二二二二二二二二氏曰州為沙李二，二嘴林、‘價房小“姍二凈呻沁‘，屯)水二沁一今日2尤飛塾叢宜鯉:‘氣凡人圖2一2光纖光柵基模的正向和反向模式禍合示意圖因此以下標l與2分別表示正向模與反向模，進行光纖光柵的特征理論計算
【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 談愛玲;水中石油類污染物光纖光譜檢測方法的研究[D];燕山大學;2012年

相關碩士學位論文 前7條

1 王秋玉;基于ARM-Cortex單片機的光纖布拉格光柵位移傳感器的設計[D];哈爾濱理工大學;2010年

2 張春霽;天津財經(jīng)大學計算機機房管理系統(tǒng)的分析設計與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2011年

3 黃忠;風力發(fā)電機復合材料葉片的結構應力分析和健康監(jiān)測[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

4 許劍;光纖布拉格光柵鹽度傳感器[D];大連理工大學;2012年

5 羅穎婷;檢測變壓器油中氫氣光纖布喇格光柵傳感器的研究[D];華北電力大學;2012年

6 周怡妃;基于光纖Bragg光柵的濕度及主動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D];南京航空航天大學;2012年

7 趙海培;水下柱狀結構的局部沖刷監(jiān)測方法研究[D];大連理工大學;2013年

本文編號：2884158