矿山安全生产监测FBG传感设计及系统研究

论文摘要

光纤光栅是近十多年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件。具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、良好的应力和温度特性的光纤布喇格光栅(FBG, Fiber Bragg Grating)传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一FBG能够实现将传感信息波长编码,它的性能优于光强编码或相位编码的光纤传感器。目前国内的土木、桥梁、建筑、大坝等应用引进各种仪器用于结构的健康监测,但对FBG传感器的工程化设计以及FBG传感监测分析系统的研究甚少,离工程实用化还有一定的距离。本文介绍了光纤光栅传感器的传感特性和优越性,对基于FBG工程实用化的液压传感器和压力环进行了理论分析、有限元模拟和结构设计,并进行了相应的室内实验,然后开发了FBG监测分析系统,设计了相应的数据库,该系统采用基于可调谐激光器扫描法进行波长解调,集数据采集、传感器配置和标定、实时存储和显示、历史及报警数据查询、打印、网络通讯等功能为一体,方便、简洁、智能化、人性化,并在实验中应用。本文的主要研究内容如下：1)简要介绍了FBG传感技术的研究现状、传感原理、温度和应变传感特性及其交叉敏感问题；2)设计了基于FBG的矿用液压传感器、压力环,封装了基于贴片式FBG的锚杆,并用有限元分析模拟了传感器在载荷作用下的变形以及光纤光栅伸长或压缩的位移,找到了最有效的光栅粘贴位置,并对光栅传感器的压力增敏技术进行了分析和总结；3)分析了分布式FBG传感测量的原理,并介绍了课题中用到的解调设备和解调方法,提出了一种在矿山安全生产监测中应用分布式FBG传感的方案;4)基于解调仪开发了光纤光栅监测与分析软件,采用专业的工控开发语言LABVIEW,并加入MYSQL数据库,实现数据的采集、实时存储及显示、历史查询、报表打印等功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 光纤光栅传感器概述
• 1.3 光纤光栅实用化的技术难点
• 1.4 本论文的主要内容及结构安排
• 第二章 光纤布拉格光栅传感理论和特性
• 2.1 光纤布拉格光栅结构及成栅机理
• 2.2 光纤布拉格光栅的模式理论
• 2.2.1 耦合模理论
• 2.2.2 转移矩阵法
• 2.2.3 Fourier变换法
• 2.3 光纤布拉格光栅传感原理
• 2.4 光纤布拉格光栅传感特性
• 2.4.1 光纤布拉格光栅应力传感特性
• 2.4.2 光纤布拉格光栅温度传感特性
• 2.4.3 光纤布拉格光栅应力和温度的交叉敏感特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤光栅压力传感器研制及有限元分析
• 3.1 光纤Bragg光栅传感器的设计要求
• 3.2 基于金属平膜片的液体压力传感器
• 3.2.1 传感器的机械结构
• 3.2.2 有限元分析
• 3.2.3 实验原理与结果分析
• 3.3 基于FBG的压力环的实验研究
• 3.3.1 传感器封装过程及机械结构
• 3.3.2 有限元分析
• 3.3.3 实验结果及分析
• 3.4 光纤Bragg光栅压力增敏技术
• 3.4.1 封装方式的选择
• 3.4.2 粘结剂和封装材料的选取
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于贴片式FBG的锚杆受力实验
• 4.1 引言
• 4.2 全长锚固锚杆受力分析
• 4.2.1 全长锚杆前端部受集中载荷作用
• 4.2.2 全长锚杆前端受分布载荷作用
• 4.3 基于FBG的锚杆检测原理
• 4.4 实验过程及结果分析
• 4.4.1 实验仪器及实验装置
• 4.4.2 实验过程及结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 分布式光纤光栅传感网络技术
• 5.1 分布式FBG传感网络技术概述
• 5.2 分布式FBG传感网络复用解调技术
• 5.2.1 可调谐光源检测法
• 5.2.2 可调谐法布里-珀罗滤波器法
• 5.3 解调仪sm125的解调原理
• 5.3.1 解调仪sm125的工作原理
• 5.3.2 解调仪sm125的特点
• 5.4 分布式传感在矿山生产安全监测中的应用构想
• 5.5 本章小结
• 第六章 光纤光栅数据采集及监测软件设计
• 6.1 软件总体设计
• 6.1.1 软件技术及其平台
• 6.1.2 软件功能
• 6.2 数据库设计
• 6.2.1 数据库的选择
• 6.2.2 数据库结构
• 6.2.3 基于Labsql的数据库访问技术
• 6.3 功能模块实现
• 6.3.1 传感器配置标定程序模块
• 6.3.2 峰值探测模块
• 6.3.3 实时显示模块
• 6.3.4 历史及报警数据查询
• 6.3.5 数据分析模块
• 6.3.6 网络通讯模块
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的项目
• 学位论文评阅及答辩情况表