光綹光柵多參數(shù)傳感理論技術研究及在地下工程災害監(jiān)測中的應用.pdf

1、隨著我國現(xiàn)代化建設和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，在交通、水利水電與礦山等領域正在或即將修建大量的隧道(洞)等地下工程，隨著重大交通與水電工程向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移以及礦山采掘深度的增加，地下工程施工中所遭遇的水文地質(zhì)條件日益復雜，突涌水、塌方等高風險地質(zhì)災害呈現(xiàn)上升趨勢，造成了嚴重的人員傷亡與經(jīng)濟損失。在目前地下工程地質(zhì)災害監(jiān)測技術相對落后的情況下，地質(zhì)災害的實時監(jiān)測與預測已經(jīng)成為亟待解決和突破的關鍵科技難題。光纖光柵傳感技術的不斷發(fā)展為解決該難題提

2、供了可行的途徑，但目前光纖光柵傳感器種類少，傳感系統(tǒng)功能簡單、測量參數(shù)單一，且傳感器信號提取及分析技術落后，不能有效剔除啁啾效應的影響，尚不能滿足地下工程地質(zhì)災害實時監(jiān)測與預測的需要。
　　 針對上述問題，本文以光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating，簡稱FBG)傳感理論與技術研究為突破口，以重大地下工程地質(zhì)災害模型試驗為依托，在深入分析光纖光柵本征參數(shù)與應變分布對反射光譜特性影響的基礎上，提出了基于光譜中心

3、波長位置約束的光柵光譜重構理論及其改進遺傳算法優(yōu)化方法，實現(xiàn)了光纖光柵啁啾效應的快速準確識別與剔除，提出了傳感器數(shù)值仿真優(yōu)化設計方法，研制了高靈敏度滲壓傳感器、新型應變傳感器、靶式流速傳感器、微型位移傳感器與多點位移傳感器；構建了大容量、多參數(shù)光纖光柵實時監(jiān)測網(wǎng)絡，相關研究成果已在不同地下工程地質(zhì)災害模型試驗中得到成功應用。本文的主要研究工作如下：
　　 (1)針對光纖光柵光譜特性同時受多個參數(shù)影響這一基礎問題，基于光纖光柵傳輸

4、矩陣理論及應變傳感模型，開發(fā)了光纖光柵光譜仿真程序，揭示了光纖光柵本征參數(shù)及應變分布對反射光譜特性的影響規(guī)律，尤其是沿光柵的應變分布對光柵反射譜中心波長、反射率及帶寬等因素的影響，通過兩端固定壓桿調(diào)諧光纖光柵試驗，獲得了光纖光柵在非均勻應變條件下的光柵反射譜，驗證了光纖光柵數(shù)值分析的有效性，為光纖光柵參數(shù)重構與傳感器研究奠定了理論基礎。
　　 (2)針對以往光纖光柵參數(shù)重構尤其是應變分布重構效果差且收斂速度慢的難題，提出了基于中

5、心波長位置約束的光纖光柵參數(shù)重構理論及其改進的遺傳算法優(yōu)化方法，解決了以往光纖光柵參數(shù)重構中未考慮中心波長相對位置而導致重構效果差的難題，顯著改善了重構的非唯一性和置信度，開發(fā)了光柵本征參數(shù)與應變重構程序，系統(tǒng)的開展了光纖光柵參數(shù)重構數(shù)值試驗，結(jié)合兩端固定壓桿調(diào)諧光纖光柵試驗，驗證了該重構方法的有效性、適用性和可操作性，形成了一種光纖光柵參數(shù)精確重構方法。
　　 (3)針對光纖光柵傳感器設計方法落后的現(xiàn)狀，基于有限元數(shù)值分析方法

6、，提出了光纖光柵傳感器優(yōu)化設計方法，構建了光纖光柵重構理論與標定試驗相結(jié)合的光纖傳感器優(yōu)化設計平臺。針對目前光纖傳感器種類少、與周圍介質(zhì)匹配性差的難題，突破了光纖光柵傳感技術用于滲壓、流速等傳感測量的技術瓶頸，采用基于有限元理論的光纖光柵傳感器優(yōu)化設計方法，研制了高靈敏度光纖光柵滲壓傳感器與靶式光纖光柵流速傳感器，同時基于被測物體基體材料研制了與周圍介質(zhì)匹配性能好的光纖光柵應變傳感器，開發(fā)了微型光纖光柵位移傳感器與多點位移傳感器，構建了

7、適用于地下工程地質(zhì)災害實時監(jiān)測與信息識別的新型傳感器體系。
　　 (4)針對目前光纖傳感系統(tǒng)簡單、測量參數(shù)單一的難題，基于波分復用與空分復用理論，構建了多參數(shù)、大容量光纖光柵傳感系統(tǒng)，并采用Labview與C++Builder開發(fā)了地下工程災害實時監(jiān)視與在線分析軟件，實現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)的同步采集與實時顯示。
　　 (5)針對地下工程災害監(jiān)測中傳感器靈敏度低、防水性能差的缺陷，將光纖光柵傳感系統(tǒng)用于工程災害關鍵物理參數(shù)的實時監(jiān)