光纖Bragg光柵測量理論及其在動力工程中應(yīng)用的研究.pdf

1、隨著對動力需求的提高，大型動力設(shè)備的應(yīng)用越來越多，保障其運行的安全性和經(jīng)濟性首當其沖，因此動力設(shè)備的在線和間歇健康狀態(tài)監(jiān)測成為一個重要而必不可少的組成部分。同時，其監(jiān)測所得數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計和優(yōu)化運行提供可參考的依據(jù)。對于動力設(shè)備健康安全運行，需要先進的測量和監(jiān)測手段，以保證及時維護和整治，避免重大事故發(fā)生。 針對動力設(shè)備安全監(jiān)測、經(jīng)濟運行，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，實驗研究FBG溫度和應(yīng)變傳感特性，并制作出FBG振動模態(tài)傳感器、FBG相對濕度傳感器、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)和測試系統(tǒng)。為動力設(shè)備振動特性、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FBG反射光譜進行理論計算，充分認識和了解其溫度和應(yīng)變傳感機理。計算結(jié)果表明折射率和

3、光柵長度對FBG反射光譜影響很大。實驗測試了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，包括光譜儀直接測量、基于波分復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對懸臂梁模態(tài)頻率進行測量，對懸臂梁振動特性進行分析。同時采用模態(tài)分析系統(tǒng)(CRAS)對懸臂梁的振動特性進行測量，有限元軟件(ANSYS)對懸臂梁的振動特性進行理論計算。三種方法

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

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

6、7μm時，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)用于測量幾種具有代表意義的化學物質(zhì)(酸、醇、糖類)濃度，其濃度測量范圍為0至飽和濃度，而且應(yīng)用于納米流體濃度測量。采用U型結(jié)構(gòu)FBG來實現(xiàn)對折射率的增敏，相比直的變薄FBG，其靈敏度提高了25％。 另外，針對微結(jié)構(gòu)和微流體測量技術(shù)，本文研究了微結(jié)構(gòu)FBG，實現(xiàn)對折射率和濃度測量。對微結(jié)構(gòu)FBG的反射光譜進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明微結(jié)構(gòu)長度、深度、位置對反射

7、光譜影響很大，其結(jié)果為微結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(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驗研究。當微結(jié)構(gòu)在光柵中間位置，長度為800μm，包層直徑為14μm時，折射率測量范圍為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1.2×10-3。采用包覆法制作雙微結(jié)構(gòu)FBG，可實現(xiàn)溫度和折射率(濃

8、度)同時測量。 最后，本文利用FBG的可調(diào)諧濾波特性來進行氣體濃度測量。結(jié)合氣體吸收理論，搭建了基于FBG的氣體濃度測試系統(tǒng)，分別對CO和C2H2氣體濃度測量進行了實驗研究，獲得氣體吸收特性，光譜吸收峰特征。實驗結(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)諧范圍寬和易復用的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)同時對多種氣體識別以及氣體濃度進行測量。 根據(jù)上述的研究，本文寄予把FBG測量