智能錨索系統(tǒng)開發(fā)中光纖傳感關(guān)鍵技術(shù)研究

本研究擬解決光纖光柵傳感器在錨索分布測量應(yīng)用中埋置和溫度補(bǔ)償問題，并研究對預(yù)應(yīng)力分布和變化規(guī)律及其長期工作狀態(tài)監(jiān)測的多點(diǎn)傳感器的結(jié)構(gòu)和信號(hào)檢測技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，為最終實(shí)現(xiàn)對錨索運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和加固工程的穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目研究對于我國被迫錨固、大壩基礎(chǔ)加固和索拉橋項(xiàng)目工程的安全化、智能化具有重要意義。

光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器是目前國內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。FBG傳感器具有靈敏度高，易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)，在一根光纖內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。滿足“智能結(jié)構(gòu)”對傳感器的要求，可對大型構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測；也可以代替其他類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。但是溫度、應(yīng)力交叉敏感是其實(shí)用化的最大限制。

目前，隨著實(shí)用、廉價(jià)的波長解調(diào)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)向成熟階段接近，部分也已經(jīng)商用化。但在性能和功能方面需要提高。

陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)

列陣復(fù)用傳感系統(tǒng)將單點(diǎn)光纖傳感器陣列化，實(shí)現(xiàn)空間多點(diǎn)的同時(shí)或分時(shí)傳感，也稱為準(zhǔn)分布式系統(tǒng)。目前，應(yīng)用最為廣泛的是光纖光柵陣列傳感和基于干涉結(jié)構(gòu)的陣列光纖傳感系統(tǒng)。

陣列化光纖傳感的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長距離多點(diǎn)傳感，是大規(guī)模光纖傳感的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。陣列化的發(fā)展方向也對各個(gè)傳感元的靈敏度、穩(wěn)定性、批量制作可重復(fù)性、解調(diào)的快捷準(zhǔn)確等提出新的要求。

分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測量的分布信息，可以實(shí)現(xiàn)長距離、大范圍的連續(xù)、長期傳感。

智能化光纖傳感系統(tǒng)

目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)各種功能的智能化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理于一體。智能化光纖傳感系統(tǒng)在許多新型應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，如智能材料、環(huán)境感知、聲發(fā)射檢測、石油測井等?；诠饫w傳感的智能材料可以實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境變化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，在汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療、安防、體育及土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

低頻超低頻振動(dòng)測量技術(shù)在大型建筑、機(jī)械設(shè)備、航空航天、地球活動(dòng)等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，電學(xué)振動(dòng)傳感器在抗惡劣環(huán)境如高溫、強(qiáng)電磁干擾等方面受到了一定限制，部分光學(xué)類振動(dòng)傳感器在傳感裝置體積、抗參數(shù)交叉敏感、探測最低頻率和靈敏度方面還需改進(jìn)和完善。光纖傳感技術(shù)因其抗電磁干擾、易組網(wǎng)和可遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)，已成為低頻振動(dòng)測量技術(shù)中最具潛力的傳感技術(shù)之一，但是對于構(gòu)成“智能結(jié)構(gòu)”現(xiàn)有的光纖振動(dòng)傳感器還存在一些問題，比如體積大、可探測振動(dòng)頻率范圍下限偏高、溫度交叉敏感等。 針對現(xiàn)有光纖振動(dòng)傳感器存在的問題，項(xiàng)目按照傳感器的微型化、可探測振動(dòng)頻率范圍低頻化和消除溫度交叉敏感的總體思想，分析了振動(dòng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)的理論模型及其阻尼和諧振頻率對響應(yīng)度的影響，研究了三種不同類型的全光纖微型化的低頻超低頻振動(dòng)傳感器，并在傳感器的設(shè)計(jì)、制作、優(yōu)化和環(huán)境響應(yīng)特性測試等方面做了比較系統(tǒng)全面的分析。經(jīng)過4年的研究完成了如下三個(gè)任務(wù)：(1). 設(shè)計(jì)基于微結(jié)構(gòu)光纖和琺珀干涉儀的全光纖點(diǎn)式簡支梁型低頻超低頻振動(dòng)傳感器；(2). 設(shè)計(jì)并制作帶質(zhì)量塊懸臂梁式全光纖低頻F-P加速度傳感器和基于微結(jié)構(gòu)光纖的擺錘型全光纖點(diǎn)式低頻振動(dòng)傳感器；(3).設(shè)計(jì)制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵的振動(dòng)和溫度同時(shí)準(zhǔn)分布式測量的全光纖傳感器。設(shè)計(jì)制作的傳感器集成了微振動(dòng)梁和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)對振動(dòng)和溫度進(jìn)行準(zhǔn)分布式測量，可以有效探測0.5Hz～10Hz的振動(dòng)，其信噪比高達(dá)28dB，為解調(diào)振動(dòng)信息提供了足夠保障。同時(shí)該傳感器的溫度特性線性度較好，實(shí)驗(yàn)測得在20℃～180℃內(nèi)，F(xiàn)BGs的溫度敏感度分別為8.55pm/℃和8.09pm/℃，該傳感器在大型建筑物和機(jī)械質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用中具有很大的實(shí)用價(jià)值。 發(fā)表SCI收錄論文8篇；培養(yǎng)了2名博士生，6名碩士研究生；全面完成了該項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。 2100433B

低頻超低頻振動(dòng)測量技術(shù)在大型建筑、航空航天、地球活動(dòng)等領(lǐng)域的監(jiān)測中起著舉足輕重的作用，電學(xué)振動(dòng)傳感器在抗惡劣環(huán)境如高溫、強(qiáng)電磁干擾等方面受到了一定限制，部分光學(xué)類振動(dòng)傳感器在傳感裝置體積、抗參數(shù)交叉敏感、探測最低頻率和靈敏度方面還需改進(jìn)和完善。結(jié)合課題組在光纖微加工和光纖低頻超低頻振動(dòng)研究方面多年的研究基礎(chǔ)，為進(jìn)一步降低振動(dòng)傳感器的可探測頻率、提高振動(dòng)響應(yīng)靈敏度和抗干擾能力，申請人提出一種高靈敏度的基于光動(dòng)力學(xué)的微型化全光纖諧振頻率掃描式振動(dòng)傳感技術(shù)。核心思想是利用光輻射壓力和光制熱應(yīng)力來調(diào)節(jié)微振動(dòng)傳感器的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)基于微振動(dòng)結(jié)構(gòu)的低頻和超低頻振動(dòng)測量的高靈敏度讀出。該技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是將全光纖振動(dòng)傳感器集成在光纖上來實(shí)現(xiàn)全光纖振動(dòng)傳感器的微型化；通過諧振頻率掃描式的讀出機(jī)制來實(shí)現(xiàn)弱振動(dòng)的高靈敏度檢測和提高抗干擾能力。因此該項(xiàng)目具有很好的學(xué)術(shù)研究意義和重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。