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应用于静冰压力检测的新型反射式强度调制型光纤传感器系统研制

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摘要

第一章 绪论

1.1 静冰压力的产生及危害

1.2 静冰压力的研究现状

1.3 课题研究的目的及意义

第二章 静冰压力理论与影响因素检测

2.1 冰的物理力学性能

2.2 静冰压力对结构物的作用机理与近似计算

2.3 静冰压力影响因素的分析与检测

2.4 本章小结

第三章 应用于静冰压力检测的光纤传感器选型与设计

3.1 适用于静冰压力检测的光纤传感器类型的确定

3.1.1 光纤传感器的分类

3.1.2 选择反射式强度调制型光纤传感器应用于静冰压力检测的原因

3.1.3 反射式强度调制型光纤传感器的工作原理

3.2 应用于静冰压力检测的新型反射式强度调制型光纤传感器的设计

3.2.1 应用于静冰压力检测的额型光纤传感器工作原理

3.2.2 基于静冰压力检测原理的新型光纤传感器系统总体设计

3.2.3 新型反射式强度调制型光纤传感器的设计

3.3 本章小结

第四章 新型反射式强度调制型光纤传感器系统电路设计

4.1 电路总体设计

4.2 光电转换电路

4.2.1 光发射电路

4.2.2 光探测电路

4.3 AD转换电路

4.4 数据存储电路

4.5 本章小结

第五章 新型反射式强度调制型光纤传感器系统程序设计

5.1 系统主程序设计

5.2 冰压力数据的采集

5.3 数据的存储与发送

5.4 本章小结

第六章 工程应用、数据分析和温度补偿

6.1 黄河万家寨水利枢纽水库的工程应用

6.2 静冰压力影响因素的数据分析

6.3 平膜片温度补偿

6.4 力学标定

6.5 静冰压力数据的分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 课题总结

7.2 课题展望

参考文献

致谢

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摘要

近年来,随着光纤与光纤通信技术的发展,光纤传感作为一种另辟蹊径的传感技术应运而生,加之现代光纤制造工艺的提高和新型光电子材料、光电子器件的诞生,光纤传感技术正不断完善并日趋成熟。而反射式强度调制型光纤传感器(RIM-FOS)作为光纤传感领域重要的一员,以其设计灵活、结构简单、成本低、性能可靠、抗电磁干扰等优点得到广泛应用。
  在我国冬季结冰的高寒地区,水工/海工结构物经常会受到静冰压力的威胁和侵害,由于设计时对水工/海工结构物可能受到的最大静冰压力值估算的偏差,致使其冬季遭受静冰压力作用而损坏。本文以黄河万家寨水利枢纽水库库区的静冰压力检测为工程实践应用背景,借助作者设计的新型反射式强度调制型光纤传感器于2014年1月-2014年3月在万家寨水库进行了冬季静冰压力定点连续自动检测现场试验,采集到冬季封冻期冰层生消变化全过程中冰层随水位、空气温度、冰层温度和冰层厚度等因素变化而产生的一系列静冰压力数据,采集数据客观反映了封冻期冰层静冰压力变化规律,可为高寒地区水工/海工结构物防护与建造工程提供理论依据。
  本文的主要研究内容有:
  1.通过分析静冰压力的产生和作用机理,提出在检测静冰压力的同时,采集监测点处与静冰压力密切相关的冰层厚度、冰层温度梯度和冰下水位等物理量数值,并简要介绍相关冰情检测传感器检测原理和特点。
  2.结合静冰压力的作用机理和静冰压力检测工程应用的特定需求,提出对传统反射式强度调制型光纤压力传感器进行结构改进并尝试应用于静冰压力检测试验。对传统反射式强度型光纤压力传感器的光纤束结构,收、发光纤束分布类型,压力敏感元件的材料与尺寸等做出设计和改进。
  3.基于新型反射式强度型光纤传感器的检测原理,结合检测系统工作环境特点,选取了合适的光电子器件并搭建了低功耗检测电路。
  4.针对新型反射式强度型光纤传感器的检测原理和相应检测电路硬件结构,分析工程应用的具体环境与特定需求,设计并编写了具有连续自动采集、存储和发送静冰压力数据功能的检测系统程序。
  5.在万家寨水利枢纽水库进行了2个月冬季静冰压力和影响静冰压力因素的数据采集现场试验,并对采集数据进行了分析,在实验室完成了静冰压力检测系统的力学标定和温度补偿。

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