【摘 要】
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光纤传感作为一种新兴的传感技术,已广泛应用到路桥监测领域。目前采用准分布式的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）主要对土木桥梁工程实现应变监测。在工程中,经常需要测量土体含水率的变化预防灾害的发生,但是常用的电类含水率传感设备体积大,耗时长,精度低,因此研究人员开始利用光纤光栅的温度敏感特性,制作成主动加热光纤光栅传感器,应用于堤坝渗流,边坡排水等一系列需要进行土体含水
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光纤传感作为一种新兴的传感技术,已广泛应用到路桥监测领域。目前采用准分布式的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）主要对土木桥梁工程实现应变监测。在工程中,经常需要测量土体含水率的变化预防灾害的发生,但是常用的电类含水率传感设备体积大,耗时长,精度低,因此研究人员开始利用光纤光栅的温度敏感特性,制作成主动加热光纤光栅传感器,应用于堤坝渗流,边坡排水等一系列需要进行土体含水率测量的领域。主动加热光纤法（Actively Heated Fiber Optic method,AHFO）的土体含水率监测的核心思想是,利用不同含水率土体的导热系数不同,根据热量在土体中的扩散效应,建立所测温度值与土体含水率的标定关系,从而确定土体的含水率。为了得到准确的标定关系,因此要尽可能测得热传递过程中的温度值变化,同时要避免加热对土体造成的扰动。通过加热时间的改变,对标定关系进行修订。本论文工作主要分为0℃以上环境土体含水率测量和光纤光栅解调两大部分,具体内容如下:（1）设计了一种基于对称内加热光纤光栅的氧化铝陶瓷管传感器。通过直流电源对电热丝通电,实现传感器的内加热功能,并结合高温胶在光栅和陶瓷管之间内封不同材料的毛细管,改变在土体体积含水率测试中传感器的热传导特性,进而改善光纤光栅的温度响应。拟合得到所测温度与体积含水率标定关系,其中内封毛细钢管传感器拟合的相关性系数为0.98,毛细塑料管的为0.99。实现了在0℃以上的土体环境中2 cm~3/cm~3到30 cm~3/cm~3体积含水率的连续测量。并提出了一种短时间加热光纤光栅的土体体积含水率测试方法。该测试方法避免了原有测试方法需要长时间加热对土体环境造成的扰动,得到的标定关系中温升与体积含水率的相关性更好,提高了主动加热光纤法对体积含水率的测量精度。（2）设计了一种基于可调谐法布里-珀罗（Fabary-Perot,F-P）滤波器的光纤光栅波长解调方法。该方法使用STM32单片机控制可调谐F-P滤波器对光纤光栅的反射光进行扫描,将满足F-P干涉条件的光纤光栅布拉格波长的光进行光电转化后,由STM32实现电压信号的采集和处理,得出光纤光栅的布拉格波长。这种解调方法能够为光纤光栅土体含水率传感器的进一步工程化应用建立一定的基础。
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