基于反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM-FOPS)的静冰压力检测系统的设计与应用

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本课题是在国家自然科学基金项目“基于空气、冰与水物理特性差异的冰层生消过程与力学强度连续在线检测原理研究”(项目编号:51279122)资助下完成的一项技术开发型研究项目。我国的东北、华北、西北地区,在寒冷的冬季,河道、水库等水面会形成广阔的封冻区域,位于封冻区域内的水工建筑与设备将会受到冰盖层产生的静冰压力的挤压而损坏,甚至导致水工建筑与设备的完全损坏。由于冰材料的复杂性以及地域条件的特殊性,静冰压力的检测和计算是冰力学研究的一个公认难题,由于缺乏有效的工程静冰压力检测方法与设备,使得获取实时的静冰压力现场数据非常困难且数据匮乏,因此实现对静冰压力及相关物理参数的定点连续自动检测是冰力学研究领域的一个重要内容。综合应用光电检测的相关技术,本论文设计、研制了一种基于反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM FOPS)的静冰压力自动检测系统,该系统可用于河冰冰盖层生消过程中静冰压力值的连续检测。2014年1月至2014年3月期间,作者将新研制的静冰压力检测实验设备安装于黄河万家寨水利枢纽水库库区,进行了冬季静冰压力定点连续自动检测现场实验,同时采集了冰层厚度、气温及冰温等一系列影响静冰压力的相关物理参数并对实验数据进行了分析。大量现场数据客观反应了封冻期水库冰盖层静冰压力的变化规律,可为寒区水工建筑的设计和防护提供科学的技术数据和相关的理论依据。本文主要完成了以下研究内容:(1)通过文献检索,总结了静冰压力检测技术目前的研究成果和方法,收集了相关的国内外现有的预测静冰压力值的计算模型和经验公式。通过分析静冰压力的产生机理和影响静冰压力的相关物理因素,提出在检测静冰压力的同时,采集检测点处影响静冰压力大小的相关物理基本参数,包括冰层温度梯度、冰层厚度、空气温度和温升率等;(2)结合静冰压力的作用机理和静冰压力检测工程应用的特殊需求,提出了将反射式光强调制型光纤压力传感器(RIM FOPS)应用于静冰压力检测系统的设计方案,针对静冰压力的特点设计了检测系统的相关结构与管理软件,如机械结构、光学系统、采集电路与系统软件等;(3)在实验室中对基于RIM FOPS的静冰压力检测系统进行了力学标定与温度补偿等实验,并将其应用于黄河万家寨水利枢纽水库冬季现场实验中,分析了现场采集到的冬季库区静冰压力、冰层厚度及冰层温度梯度等数据,对静冰压力检测技术的进一步研究提出了建议。
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