光纖Bragg光柵測(cè)量理論及其在動(dòng)力工程中應(yīng)用的研究.pdf

1、隨著對(duì)動(dòng)力需求的提高，大型動(dòng)力設(shè)備的應(yīng)用越來越多，保障其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性首當(dāng)其沖，因此動(dòng)力設(shè)備的在線和間歇健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為一個(gè)重要而必不可少的組成部分。同時(shí)，其監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供可參考的依據(jù)。對(duì)于動(dòng)力設(shè)備健康安全運(yùn)行，需要先進(jìn)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)手段，以保證及時(shí)維護(hù)和整治，避免重大事故發(fā)生。 針對(duì)動(dòng)力設(shè)備安全監(jiān)測(cè)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，本文采用光纖Bragg光柵(Fiber Bragggrating，F(xiàn)BG)智能傳感元件，研究

2、其傳感理論和特性，實(shí)驗(yàn)研究FBG溫度和應(yīng)變傳感特性，并制作出FBG振動(dòng)模態(tài)傳感器、FBG相對(duì)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(diào)和測(cè)試系統(tǒng)。為動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特性、腐蝕特性、噪音特性、溫度和應(yīng)力、泄漏、煙氣成分、濃度和濕度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)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(duì)FBG反射光譜進(jìn)行理論計(jì)算，充分認(rèn)識(shí)和了解其溫度和應(yīng)變傳感機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明折射率和

3、光柵長度對(duì)FBG反射光譜影響很大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了FBG的溫度和應(yīng)變傳感特性，其溫度和應(yīng)變靈敏度分別為10.2pm/℃和0.9742pm/με研究了多種FBG波長解調(diào)方法，包括光譜儀直接測(cè)量、基于波分復(fù)用器的邊緣濾波法和可調(diào)諧窄帶激光法等。 其次，本文采用FBG對(duì)懸臂梁模態(tài)頻率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)懸臂梁振動(dòng)特性進(jìn)行分析。同時(shí)采用模態(tài)分析系統(tǒng)(CRAS)對(duì)懸臂梁的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量，有限元軟件(ANSYS)對(duì)懸臂梁的振動(dòng)特性進(jìn)行理論計(jì)算。三種方法

4、的結(jié)果相同，證實(shí)基于FBG的測(cè)量方法可靠。然后利用FBG來測(cè)量汽輪機(jī)葉片在有無約束時(shí)的模態(tài)頻率，結(jié)果表明FBG的測(cè)量方法可靠，從而引導(dǎo)FBG測(cè)量技術(shù)在動(dòng)力工程中振動(dòng)特性測(cè)量的應(yīng)用開展。 然后，本文采用FBG結(jié)合聚酰亞胺濕敏材料進(jìn)行相對(duì)濕度測(cè)量。濕敏材料涂覆在FBG表面，濕敏材料把相對(duì)濕度的變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變的變化，作用于FBG，導(dǎo)致FBG特征波長發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度傳感。對(duì)濕敏材料、FBG濕度傳感頭、測(cè)試系統(tǒng)以及傳感頭的響應(yīng)特性進(jìn)

5、行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)濕敏材料厚度為8μm時(shí)，濕度和溫度靈敏度分別為-0.266mV/％RH和-24.91mV/℃，響應(yīng)時(shí)間僅為5s，為開展煙氣濕度、氫氣濕度、煤炭濕度等的測(cè)量打下基礎(chǔ)。 再次，本文利用FBG和倏逝場(chǎng)吸收原理測(cè)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(chǎng)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(dǎo)致光柵的反射波長發(fā)生漂移，從而通過檢測(cè)波長漂移實(shí)現(xiàn)折射率傳感。當(dāng)包層厚度為1

6、7μm時(shí)，折射率靈敏度為3.40V/RIU。利用制作的變薄FBG折射率傳感器應(yīng)用于測(cè)量幾種具有代表意義的化學(xué)物質(zhì)(酸、醇、糖類)濃度，其濃度測(cè)量范圍為0至飽和濃度，而且應(yīng)用于納米流體濃度測(cè)量。采用U型結(jié)構(gòu)FBG來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)微結(jié)構(gòu)和微流體測(cè)量技術(shù)，本文研究了微結(jié)構(gòu)FBG，實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率和濃度測(cè)量。對(duì)微結(jié)構(gòu)FBG的反射光譜進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明微結(jié)構(gòu)長度、深度、位置對(duì)反射

7、光譜影響很大，其結(jié)果為微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。采用包覆法和三層溶液法制作微結(jié)構(gòu)，研究制作方法與工藝，開展折射率傳感等實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)微結(jié)構(gòu)在光柵中間位置，長度為800μm，包層直徑為14μm時(shí)，折射率測(cè)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0.79nm/RIU。對(duì)于目前波長解調(diào)分辨率為1pm，傳感器的折射率最小分辨率可達(dá)1.2×10-3。采用包覆法制作雙微結(jié)構(gòu)FBG，可實(shí)現(xiàn)溫度和折射率(濃

8、度)同時(shí)測(cè)量。 最后，本文利用FBG的可調(diào)諧濾波特性來進(jìn)行氣體濃度測(cè)量。結(jié)合氣體吸收理論，搭建了基于FBG的氣體濃度測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)CO和C2H2氣體濃度測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得氣體吸收特性，光譜吸收峰特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CO和C2H2氣體一最大吸收峰值波長分別為1546.6nm和1531.52nm。結(jié)合FBG可調(diào)諧范圍寬和易復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種氣體識(shí)別以及氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。 根據(jù)上述的研究，本文寄予把FBG測(cè)量