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光纤传感测试技术由于具有抗电磁干扰、远距离传输、能实现绝对测量的优点,在大型结构健康监测系统中越来越显示出独特优势,但监测系统多参量测量和多测点布设的特点,又要求光纤传感器具有多参量测量的功能,以简化传感器和传输线的布设,提高监测系统的可靠性。因此,如何实现光纤传感的多参量同时测量技术,是目前国内外关注的热点和难点问题之一。
为了解决应变和温度同时测量问题,本文通过对光纤传感原理的详尽分析,提出了一种基于FBG/EFPI的应变和温度同时测量系统,并对其进行了系统设计和试验研究,为该同时测量系统的实际应用奠定了理论和技术基础。本课题的主要研究工作和取得的成果如下:
第一,在详尽分析光纤FBG和EFPI传感原理及其传感特性的基础上,提出了应变和温度同时测量的系统设计方案,并对其同时测量理论进行了深入分析。该系统是由新型FBG/EFPI复合式传感器、ASE宽带光源、多波长计和相关软硬件组成,其中FBG用于应变测量,EFPI用于温度测量,并采用同一解调系统对应变和温度信号进行采集和分析处理。
第二,对FBG/EFPI复合式传感器进行了结构设计和制作工艺研究,给出了FBG/EFPI传感头的各项结构参数范围,确定了FBG/EFPI复合式传感器的封装结构和尺寸,并分别制定出FBG/EFPI传感头制作工艺和封装保护工艺的工艺流程,制作出了新型FBG/EFPI复合式传感器成品。
第三,在分析比较几种常见的FBG、EFPI解调方法的基础上,设计出了能实现FBG/EFPI复合式传感器应变和温度同时测量的解调方案,并完成了解调系统硬件设备的选型、设备接口驱动程序和专用解调软件的编写工作,最后进行了解调系统的软硬件调试。调试结果表明:该解调系统完全可以实现对应变和温度信号同时采集和分析处理的功能。
第四,设计了FBG/EFPI复合式传感器应变、温度同时测量实验系统,进行了温度和应变特性测试试验,验证了应变和温度同时测量系统的实用性。试验结果表明:应变测量精度优于±3με,测试量程为±2000με;温度测量精度优于0.1℃,测试量程为-40℃~+80℃,满足混凝土结构对应变和温度的测试要求,可直接埋入混凝土中进行结构的应变和温度长期监测。