【摘 要】
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光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术不仅具有光纤传感器体积小,重量轻和抗电磁干扰能力强等特点,还具备解调成本低和灵敏度高等优点,因此在航空航天与航海设备、岩土边坡监测和结构健康监测等领域具有重要的作用。目前在边坡监测中,商业化的高精度电传感器虽然能达到边坡预防的需求,但仍存在着易受复杂环境影响的问题。基于FBG的边坡位移传感器,由于需要考虑温度-应力交叉敏感问题
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光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术不仅具有光纤传感器体积小,重量轻和抗电磁干扰能力强等特点,还具备解调成本低和灵敏度高等优点,因此在航空航天与航海设备、岩土边坡监测和结构健康监测等领域具有重要的作用。目前在边坡监测中,商业化的高精度电传感器虽然能达到边坡预防的需求,但仍存在着易受复杂环境影响的问题。基于FBG的边坡位移传感器,由于需要考虑温度-应力交叉敏感问题、器件封装和布设串点问题。因此,本论文将围绕高灵敏度和低成本FBG位移传感系统设计、制备与性能以及边坡应用开展研究,主要工作内容如下:(1)基于相位掩模法刻写FBG前相位掩模板周期的选择考虑,对FBG模型及其应力和温度传感器进行了仿真实验。结果说明:周期为1056.5 nm的相位掩模板对应1550 nm中心波长的FBG,仿真应力灵敏度为0.92 pm/με,温度灵敏度为13.75 pm/℃,为后续FBG位移传感器的设计提供了理论依据和实验数据。(2)针对串联FBG中心波长由于3 d B带宽产生的串扰问题,研究了激光器输出能量、栅区长度、掩模板和光纤距离、光纤轴向拉力4种刻写参数对FBG性能的影响;优选出激光器输出总能量为0.6 k J,栅区长度为10 mm作为FBG的刻写参数,利用掩模板和光纤距离与光纤上轴向拉力两个刻写参数,在一块掩模板上实现多个中心波长的刻写。(3)针对FBG应力-温度交叉敏感问题,比较了参考光栅法和双光栅差分输出法的优劣。研究了不同衬底对FBG温度性能的影响,并根据石英玻璃衬底制作出FBG位移传感器;利用位移测试平台和水浴锅,验证了传感器的位移和温度性能。结果表明:该传感器位移灵敏度为145.08 pm/mm,温度灵敏度为9.22 pm/℃,精度为1.43%,误差为1.55%,静态综合相对误差为2.88%,量程为10 mm。(4)针对该监测系统在实际场景中的应用,制备了五点准分布式FBG位移传感监测系统,对实际边坡场景下的温度补偿以及土质异常受压变形、裂缝发育过程土质变形、削坡作用土质边坡变形等展开研究。结果表明:利用温度FBG可以得到环境温度的变化;在静态测试中,对传感器温度补偿后,5个监测点处没有明显位移,说明该传感系统可以正常进行位移监测工作;该传感器能有效监测到土质异常受压变形、裂缝发育过程土质变形、削坡作用土质边坡变形情况下的异常位移。
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