隨著對(duì)動(dòng)力需求的提高,大型動(dòng)力設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越多,保障其運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性首當(dāng)其沖,因此動(dòng)力設(shè)備的在線和間歇健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)成為一個(gè)重要而必不可少的組成部分。同時(shí),其監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)為設(shè)備設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供可參考的依據(jù)。對(duì)于動(dòng)力設(shè)備健康安全運(yùn)行,需要先進(jìn)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)手段,以保證及時(shí)維護(hù)和整治,避免重大事故發(fā)生。 針對(duì)動(dòng)力設(shè)備安全監(jiān)測(cè)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,本文采用光纖Bragg光柵(Fiber Bragggrating,FBG)智能傳感元件,研究其傳感理論和特性,實(shí)驗(yàn)研究FBG溫度和應(yīng)變傳感特性,并制作出FBG振動(dòng)模態(tài)傳感器、FBG相對(duì)濕度傳感器、FBG折射率傳感器、FBG液體濃度傳感器、FBG氣體濃度傳感器以及解調(diào)和測(cè)試系統(tǒng)。為動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)特性、腐蝕特性、噪音特性、溫度和應(yīng)力、泄漏、煙氣成分、濃度和濕度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)提供有效手段。 首先,本文研究了FBG的傳感理論和特性,采用傳輸矩陣法對(duì)FBG反射光譜進(jìn)行理論計(jì)算,充分認(rèn)識(shí)和了解其溫度和應(yīng)變傳感機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明折射率和光柵長(zhǎng)度對(duì)FBG反射光譜影響很大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了FBG的溫度和應(yīng)變傳感特性,其溫度和應(yīng)變靈敏度分別為10.2 pm╱℃和0.9742 pm/με。研究了多種FBG波長(zhǎng)解調(diào)方法,包括光譜儀直接測(cè)量、基于波分復(fù)用器的邊緣濾波法和可調(diào)諧窄帶激光法等。 其次,本文采用FBG對(duì)懸臂梁模態(tài)頻率進(jìn)行測(cè)量,對(duì)懸臂梁振動(dòng)特性進(jìn)行分析。同時(shí)采用模態(tài)分析系統(tǒng)(CRAS)對(duì)懸臂梁的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量,有限元軟件(ANSYS)對(duì)懸臂梁的振動(dòng)特性進(jìn)行理論計(jì)算。三種方法的結(jié)果相同,證實(shí)基于FBG的測(cè)量方法可靠。然后利用FBG來(lái)測(cè)量汽輪機(jī)葉片在有無(wú)約束時(shí)的模態(tài)頻率,結(jié)果表明FBG的測(cè)量方法可靠,從而引導(dǎo)FBG測(cè)量技術(shù)在動(dòng)力工程中振動(dòng)特性測(cè)量的應(yīng)用開(kāi)展。 然后,本文采用FBG結(jié)合聚酰亞胺濕敏材料進(jìn)行相對(duì)濕度測(cè)量。濕敏材料涂覆在FBG表面,濕敏材料把相對(duì)濕度的變化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變的變化,作用于FBG,導(dǎo)致FBG特征波長(zhǎng)發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度傳感。對(duì)濕敏材料、FBG濕度傳感頭、測(cè)試系統(tǒng)以及傳感頭的響應(yīng)特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)濕敏材料厚度為8μm時(shí),濕度和溫度靈敏度分別為-0.266 mV/%RH和-24.91 mV/℃,響應(yīng)時(shí)間僅為5s,為開(kāi)展煙氣濕度、氫氣濕度、煤炭濕度等的測(cè)量打下基礎(chǔ)。 再次,本文利用FBG和倏逝場(chǎng)吸收原理測(cè)量折射率。通過(guò)腐蝕變薄FBG所在的光纖包層,使得光纖纖芯傳輸光的倏逝場(chǎng)暴露于環(huán)境中,外界環(huán)境折射率變化引起FBG有效折射率變化,導(dǎo)致光柵的反射波長(zhǎng)發(fā)生漂移,從而通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移實(shí)現(xiàn)折射率傳感。當(dāng)包層厚度為17μm時(shí),折射率靈敏度為3.40 V/RIU。利用制作的變薄FBG折射率傳感器應(yīng)用于測(cè)量幾種具有代表意義的化學(xué)物質(zhì)(酸、醇、糖類)濃度,其濃度測(cè)量范圍為0至飽和濃度,而且應(yīng)用于納米流體濃度測(cè)量。采用U型結(jié)構(gòu)FBG來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率的增敏,相比直的變薄FBG,其靈敏度提高了25%。 另外,針對(duì)微結(jié)構(gòu)和微流體測(cè)量技術(shù),本文研究了微結(jié)構(gòu)FBG,實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率和濃度測(cè)量。對(duì)微結(jié)構(gòu)FBG的反射光譜進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、深度、位置對(duì)反射光譜影響很大,其結(jié)果為微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。采用包覆法和三層溶液法制作微結(jié)構(gòu),研究制作方法與工藝,開(kāi)展折射率傳感等實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)微結(jié)構(gòu)在光柵中間位置,長(zhǎng)度為800μm,包層直徑為14μm時(shí),折射率測(cè)量范圍為1.33～1.457,隨著折射率增大,透射峰峰值所在的波長(zhǎng)隨之增大,折射率靈敏度為0.79 nm/RIU。對(duì)于目前波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為1 pm,傳感器的折射率最小分辨率可達(dá)1.2×10~(-3)。采用包覆法制作雙微結(jié)構(gòu)FBG,可實(shí)現(xiàn)溫度和折射率(濃度)同時(shí)測(cè)量。 最后,本文利用FBG的可調(diào)諧濾波特性來(lái)進(jìn)行氣體濃度測(cè)量。結(jié)合氣體吸收理論,搭建了基于FBG的氣體濃度測(cè)試系統(tǒng),分別對(duì)CO和C_2H_2氣體濃度測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得氣體吸收特性,光譜吸收峰特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CO和C_2H_2氣體—最大吸收峰值波長(zhǎng)分別為1546.6nm和1531.52nm。結(jié)合FBG可調(diào)諧范圍寬和易復(fù)用的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種氣體識(shí)別以及氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。 根據(jù)上述的研究,本文寄予把FBG測(cè)量技術(shù)引入到動(dòng)力工程研究領(lǐng)域,為動(dòng)力設(shè)備安全監(jiān)測(cè)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供一種新的測(cè)試手段。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類】：TH17
【部分圖文】：

因此，本文利用光纖傳感中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N傳感元件FBG，基于FBG調(diào)制和解調(diào)(見(jiàn)圖1一1)原理，通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和封裝，制作應(yīng)變和溫度傳感器，振動(dòng)模態(tài)傳感器、相對(duì)濕度傳感器、折射率傳感器、液體濃度傳感器、氣體濃度傳感器等，把FBG引入到動(dòng)力工程研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)與優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。外界f丫、j(物理、化學(xué)’!物稱;.協(xié)陽(yáng)陽(yáng)(i{專，洛:乙f‘}}}圖1一 1FBG傳感元件調(diào)制與解調(diào)信息

OSABr筆ggrating圖1一5接觸式光纖光柵寫入示意圖非接觸式寫入法是指光纖與相位掩模板不接觸，士1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)一定光程后再相遇干涉對(duì)光纖進(jìn)行曝光，如圖1一6所示[’341。

光纖光柵屬于迅變光波導(dǎo)，在考慮模式禍合的時(shí)候，只能使用矢量模禍合方程(2一9)來(lái)進(jìn)行光纖光柵特征的理論計(jì)算。實(shí)際使用中，模式禍合主要發(fā)生于基模的正向模與反向模之間，見(jiàn)圖2一2[36]。~一竺二紅一(一心·“·】一“一“‘’~“一二二二二二二二二二氏曰州為沙李二，二嘴林、‘價(jià)房小“姍二凈呻沁‘，屯)水二沁一今日2尤飛塾叢宜鯉:‘氣凡人圖2一2光纖光柵基模的正向和反向模式禍合示意圖因此以下標(biāo)l與2分別表示正向模與反向模，進(jìn)行光纖光柵的特征理論計(jì)算
【引證文獻(xiàn)】

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1 談愛(ài)玲;水中石油類污染物光纖光譜檢測(cè)方法的研究[D];燕山大學(xué);2012年

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1 王秋玉;基于ARM-Cortex單片機(jī)的光纖布拉格光柵位移傳感器的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱理工大學(xué);2010年

2 張春霽;天津財(cái)經(jīng)大學(xué)計(jì)算機(jī)機(jī)房管理系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2011年

3 黃忠;風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和健康監(jiān)測(cè)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

4 許劍;光纖布拉格光柵鹽度傳感器[D];大連理工大學(xué);2012年

5 羅穎婷;檢測(cè)變壓器油中氫氣光纖布喇格光柵傳感器的研究[D];華北電力大學(xué);2012年

6 周怡妃;基于光纖Bragg光柵的濕度及主動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

7 趙海培;水下柱狀結(jié)構(gòu)的局部沖刷監(jiān)測(cè)方法研究[D];大連理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2884158