光子晶體光纖傳感結構的優(yōu)化及其工程應用的方案設計.pdf

1、對于大型土木工程結構如橋梁、隧道、大壩等,由于其投資大、服役周期長,使用環(huán)境惡劣等,結構的安全性備受人們的重視。應力應變是反映結構力學特征和材料性能的重要參數,利用光纖傳感技術測量應變已經是工程技術人員采用的一種重要方法。同傳統(tǒng)的電測傳感器(如電阻應變計)相比較,光纖傳感器具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電磁干擾、體積小、重量輕、靈敏度高和準分布測量等優(yōu)點。在光纖傳感器中應用最廣泛的當數光纖光柵傳感器,它以其獨特的優(yōu)點和優(yōu)異的特性獲得了結構健康

2、監(jiān)測的青睞。然而光纖光柵對應變與溫度都是敏感的,因此以光纖光柵作為傳感元件的光纖光柵傳感器,存在溫度和應變交叉敏感問題。光子晶體光纖本身具有對溫度不敏感的性質,消除了交叉效應,而且傳感頭的靈敏度還可以通過改變光子晶體光纖的幾何形狀來調整。
　　 本文采用有限元法,較為深入地對光子晶體光纖(PCF)進行了研究,特別對橫向應力傳感的PCF進行了仿真計算。主要進行了如下工作:
　　 1.對光纖傳感器在國內外的發(fā)展及研究現狀做了

3、綜述,論述了光子晶體光纖的研究現狀及其在傳感器領域的應用。介紹了光纖的基本結構、光纖的分類、光纖的傳光機理和光纖傳感器的工作原理及其在土木工程中的應用。
　　 2.以全內反射的光子晶體光纖為例,建立了在橫向力作用下的光子晶體光纖傳感結構模型。利用有限元分析軟件,對不同結構參量的PCF結構進行了仿真分析。分別討論了空氣孔層數N、孔徑d、孔距人及填充率f對PCF結構橫向變形的影響,并對PCF結構進行了優(yōu)化設計。優(yōu)化出較合理的PCF傳

4、感結構參量的取值范圍:填充率f的優(yōu)化取值是0.6～0.8,孔距人的最優(yōu)取值是6μm～9μm,空氣孔層數N的優(yōu)化取值是5～10。以PCF為傳感元件的光子晶體光纖傳感器可以根據其用途,并兼顧制備工藝的難度、成本來選擇合適的PCF結構參量取值。
　　 3.結合光纖光柵傳感器工程實踐的經驗,選用金屬管式的封裝方式,采用內部埋設的安裝方法,設計了光子晶體光纖光柵應變傳感器用于監(jiān)測鋼筋混凝土簡支梁的試驗方案。探索了將光子晶體光纖光柵傳感器用