学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Bragg光纤光栅传感器在混凝土动态应变检测中的应用研究

作　者: 陈显
导　师: 徐永成；余尚江
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 光纤光栅传感器动态应变高速解调混凝土
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 238次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着科学技术的发展,在现代高技术条件下的局部战争中,携带有钻地弹头的精确制导武器威力巨大,成为诸如深层地下工事这样军事目标的又一巨大威胁,在这样的背景下开展防护工程的实验研究对于提高防护工程的生存能力尤为重要。混凝土是国内外防护工程中应用的主要材料,由于混凝土材料的施工环境恶劣,其应变参数难以获得,难以对侵彻武器的毁伤效应和防护工程的抗侵彻能力进行定量评估,急需对混凝土防护工程的应变参数测量技术进行研究。光纤光栅作为一种新兴的传感元件,具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、本质防爆等诸多优点。但是将光纤光栅传感器埋入混凝土中,进行动态应变测量,尚存在诸如解调、封装等工程技术难题有待解决。本文针对上述军事需求,开展了以下技术内容的研究:1、从理论上分析了光纤光栅应用于混凝土内动态应变测量的可行性,研究了几种光纤光栅理论分析方法以及使用数值方法模拟光纤光栅特性的问题,推导了光纤光栅的应变传感理论公式。2、针对混凝土动态应变测量的特点设计了一套光纤光栅应变高速传感系统,主要由光纤光栅应变传感器、高速解调系统、信号调理电路和显示单元组成,分析了四种典型动态解调方式的误差,研发了一套基于线性滤波法的高速解调系统和一种碳纤维-环氧封装的光纤光栅应变传感器,在等强度梁实验装置上完成了传感器灵敏度、回差等重要参数的实验研究。3、应用数值方法分析了动态应变下光纤光栅传感器的测量误差,计算结果表明,在应变波频率高于一个阈值时,测量误差显著增大,为确定光纤光栅应变传感器的工作频率范围提供了理论依据。4、基于上述光纤光栅应变传感器和高速解调系统,完成了一系列实物验证实验,在完成了Hopkinson杆上应变计传感系统与光纤光栅动态应变传感系统的测量能力对比实验的基础上,进一步开展了爆炸加载下应变计传感系统与光纤光栅传感系统测量能力的对比实验,结果表明,光纤光栅传感系统与应变计传感系统测量结果非常吻合,还能够在强电磁场、爆炸应力场中正常工作,体现出了更加优越的性能。本文研制的光纤光栅传感器以及光纤光栅传感系统完全能够应用于混凝土动态应变测量中,并基本实现了光纤光栅传感器及测量系统的工程化、实用化,达到项目研究目标,可望为我国防护工程的建设与发展提供有效的技术支持。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-29
  §1.1 课题的研究背景及意义  13-14
  §1.2 光纤传感器及光纤光栅传感器概述  14-16
    1.2.1 光纤传感器概述  14-16
    1.2.2 光纤光栅传感器概述  16
  §1.3 光纤光栅传感器的国内外发展现状  16-24
    1.3.1 光纤光栅传感器应用概述  16-19
    1.3.2 光纤光栅传感器在土木工程中的应用现状  19-21
    1.3.3 光纤光栅在大型结构中的工程应用  21-24
  §1.4 光纤光栅传感器应用于动态应变测量的工程问题  24-27
    1.4.1 动态应变测量的国内外发展现状及其局限性  24-26
    1.4.2 光纤光栅应用于动态应变测量需要解决的工程问题  26-27
  §1.5 论文的主要研究内容  27-29
第二章光纤光栅传感原理分析  29-39
  §2.1 光纤光栅理论分析方法的分类和特点  29
    2.1.1 耦合模式理论  29
    2.1.2 传输矩阵法  29
    2.1.3 傅立叶变换分析法  29
  §2.2 数值方法分析光纤光栅反射谱  29-34
    2.2.1 龙格库塔法求解耦合模方程  30-33
    2.2.2 传输矩阵法计算反射谱  33-34
  §2.3 光纤光栅传感原理分析  34-38
  §2.4 小结  38-39
第三章光纤光栅传感总体结构确定及高速解调系统设计  39-60
  §3.1 光纤光栅传感系统总体结构  39-40
  §3.2 FBG解调方法分析  40
  §3.3 四种典型动态解调方案的误差分析  40-46
    3.3.1 扫描PZT器件法的误差分析  41
    3.3.2 匹配光纤光栅法的误差分析  41-43
    3.3.3 线性滤波法的误差分析  43-44
    3.3.4 WDM滤波器法的误差分析  44-46
  §3.4 高速解调仪设计与实验研究  46-59
    3.4.1 高速解调所面临的问题  46-47
    3.4.2 对三种解调方法应用于高速解调系统中可能性的分析  47-49
    3.4.3 高速解调仪总体设计方案及工作原理  49-50
    3.4.4 高速解调仪主要部件分析与选择  50-56
    3.4.5 高速解调仪性能测试  56-59
  §3.5 小结  59-60
第四章 Bragg光纤光栅应变传感器设计制备与静态特性研究  60-75
  §4.1 Bragg光纤光栅传感器的设计与制备  60-64
    4.1.1 加筋材料的复合理论  60
    4.1.2 土木工程中对应变传感器的匹配原则  60-62
    4.1.3 混凝土内部传感器结构设计与制备  62-64
  §4.2 埋入式光纤光栅传感器与基体应变传递规律分析  64-72
    4.2.1 埋入式光纤光栅传感器与基体应变传递规律分析  64
    4.2.2 埋入式光纤光栅的应力传递规律分析  64-72
  §4.3 Bragg光纤光栅传感器静态性能测试  72-74
    4.3.1 试验方法及试验装置  72-73
    4.3.2 试验结果分析与结论  73-74
  §4.4 小结  74-75
第五章光纤光栅传感器动态性能研究与实验  75-90
  §5.1 光纤光栅传感器频率响应研究  75-82
    5.1.1 对加载于光纤光栅标距上应变波参数的基本假设  76-77
    5.1.2 不均匀应变场中光纤光栅测量误差的数值计算与分析  77-80
    5.1.3 对误差计算结果的分析  80-81
    5.1.4 光纤光栅可测最高应变波频率的确定  81-82
  §5.2 Bragg光纤光栅传感系统动态性能实验研究  82-88
    5.2.1 霍普金森杆上冲击试验  82-85
    5.2.2 爆炸加载试验  85-88
    5.2.3 实验结论  88
  §5.3 小结  88-90
第六章结论与展望  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-100
作者在学期间取得的学术成果  100

Bragg光纤光栅传感器在混凝土动态应变检测中的应用研究

内容摘要

全文目录

相似论文