基于光纤分布式传感的表面应变测量技术研究

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1、硕士学位论文基于光纤分布式传感的表面应变测量技术研究THESTUDYOFSURFACESTRAINMEASUREMENTTECHNOLOGYBASEDONOPTICALFIBERDISTRIBUTEDSENSING蒋栋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于光纤分布式传感的表面应变测量技术研究硕士研究生：蒋栋导师：崔继文教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年

2、6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESTUDYOFSURFACESTRAINMEASUREMENTTECHNOLOGYBASEDONOPTICALFIBERDISTRIBUTEDSENSINGCandidate：JiangDongSupervisor：Prof.CuiJiwenAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngi

3、neeringSpeciality：InstrumentScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要大型精密机械结构的制造装配和应用，驱动着表面应变测量向毫米量级空间分辨力发展。光纤分布式传感技术凭借可连续传感的能力得到了快速发展和

4、应用。在光频域反射结合瑞利散射指纹谱进行应变传感时，一般采用短时傅里叶变换处理传感信号，其波长分辨力和传感空间分辨力相互制约导致应变分辨力在微应变量级时的传感空间分辨力只有厘米量级；同时，基于互相关进行光谱偏移量解算的方式限制了大应变测量的可行性；无法满足表面应变测量高空间分辨力和大量程的需求。本文针对上述问题，提出了一种基于连续小波变换的分布式传感信号处理方法和基于局部光谱相似性的光谱偏移量解算方法，在毫米量级传感空间分辨力下，应变分辨力达到微应变量级；应变量程从1000µε提升到3000µε。本

5、文的主要内容包括以下四个方面：1、光纤分布式应变测量系统结构的设计：首先对光频域反射和瑞利光谱移动传感原理进行了分析；然后对光源非线性调谐效应对系统空间分辨力的影响和光源输出波长准确性对应变测量精度的影响进行了分析并确定补偿方案，完成分布式应变测量系统的结构设计。2、光纤分布式传感信号处理方法的研究：首先对传统的分布式传感信号处理方法的解调性能进行分析；然后展开对基于连续小波变换的分布式传感信号处理方法进行研究，建立小波变换参数和分布式传感信号的联系，分析该方法的分布式传感解调性能，完成分布式传感解

6、调算法的改进和优化；而后对应变量程受限的原因进行分析，提出了基于局部光谱相似性的光谱偏移量解算方法，通过对局部瑞利光谱长度的优化获得局部瑞利光谱匹配时高光谱相似性，实现应变量程的提高。3、表面应变测量方法的研究：首先根据弹性微元纯弯曲模型建立被测表面应变和传感光纤局部片段轴向应变的传递关系；然后对矩形规则表面的光纤布置模型进行设计，完成分布式测量点二维坐标的确定；最后对表面应变测量时传感光纤粘贴模型参数对应变传递率的影响进行分析，确定合适的传感光纤粘贴模型参数。4、光纤分布式应变测量系统的搭建和性能

7、测试：搭建测量系统，对分布式应变测量性能进行测试。测试结果表明，非线性误差为20µε，占3000µε量程的0.67%，系统1分钟稳定性为3.9µε，1小时稳定性为7.3µε。在3mm传感空间分辨力下应变分辨力达到5µε，传感空间分辨力为20mm时，应变分辨-I-摘要力为1µε，应变测量重复性结果为10.1µε。最后，以4mm传感空间分辨力、3mm测量点间隔、440个分布式测量点对铝板表面分布应变进行了测量，测量结果的变化趋势和仿真结果一致。本文通过应变测量系统的设计和分布式传感信号处理方法的设计与优

8、化，实现了毫米量级空间分辨力和量程为3000µε的分布式应变测量，解决了机械结构表面应变连续测量困难的问题。关键词：表面应变；分布式测量；光纤传感-II-AbstractAbstractThemanufacture,assembly,andapplicationoflarge-scaleprecisionmechanicalstructuresdrivethedevelopmentofsurfacestrainmeasurementtospatialresolutio