高灵敏度光纤光栅压力传感器设计与研究

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1、高灵敏度光纤光栅压力传感器设计与研究DesignandResearchofHighSensitivityFBGPressureSensors研究生：张嫚指导教师：孙立晔副教授孙丽教授学科专业：结构工程二〇一五年十二月分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文高灵敏度光纤光栅压力传感器设计与研究作者姓名：张嫚入学年份：2013年9月指导教师：孙立晔副教授学科专业：结构工程孙丽教授申请学位：工学硕士所在单位：土木工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：答辩委员会组成：论文评阅人：声明本人声明，所呈交

2、的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学（或其授权机构）可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并通过网络提供检索、浏览。（如作者和导师同意论文交流，请在下方签名；

3、否则视为不同意。）作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：不限□半年□一年□一年半□两年□√作者签名：导师签名：日期：2015年12月日期：2015年12月硕士研究生学位论文摘要I摘要传统电学传感器构成的长期监测系统不仅价格昂贵，而且稳定性、耐久性、耐腐蚀性等指标比较差，已不能很好地满足长期工程需要；光纤光栅作为一种新型全光纤无源器件逐渐得到人们的热切关注。然而，已有光纤光栅压力传感器大多数在实际工程应用中局限性较强，因此设计出灵敏度高、重复性好、线性度好等具有高性能指标的高灵敏度压力传感器对结构智能实时健康监测至关重要。本研究在光纤光栅压力传感器理论研究的基础上，设计了两种

4、高灵敏度光纤光栅压力传感器：杠杆式光纤光栅压力传感器和拱式光纤光栅压力传感器；针对高灵敏度光纤光栅压力传感器工作原理与灵敏度影响因素进行理论公式推导与分析，力求得到提高灵敏度、线性度、重复性、迟滞、漂移等传感器静态特性指标的方法，扩大光纤光栅压力传感器的应用范围。其中，杠杆式高灵敏度光纤光栅压力传感器利用杠杆原理改变力的方向，增加力的大小，拉伸弹性元件，使光纤光栅测得的应变变大，从而达到力的增敏。研究中利用铝片与钢片两种弹性材料形成对比，在0~700N的压力范围内对此进行了实验研究，得出拉伸铝片的光纤光栅压力传感器灵敏度高的结论；同时，通过对拉伸的弹性元件进行有限元模拟，验证了试验

5、的准确性。拱式光纤光栅压力传感器利用拱形结构和弹性模量小的材料相结合测量纵向压力。通过将纵向压力转变为对光纤光栅的轴向应力作用，解决了难以在实际应用中将纵向压力直接施加于光纤光栅的问题。研究中还对所选用的弹性材料铜片，进行有限元模拟，验证了试验的准确性。通过对比以上两种高灵敏度传感器，可以得出：在其他条件一定时，拉伸的弹性元件弹性模量越小，灵敏度越高；采用“结构”增敏技术，而不是传统的封装增敏技术，可以有效的增加传感器灵敏度；中间传递力的结构应该尽量简单，从而减少不必要的误差积累；传感器结构弹性元件的材料和大小的不同决定光纤光栅传感器的灵敏度不同；结构材料的选择影响传感器的寿命，稳

6、定性，重复性等。本研究成果有助于扩大光纤光栅的应用范围，改善光纤光栅压力传感器的工艺复杂程度，提高其长期稳定性。关键词：光纤光栅；压力传感器；“结构”增敏；灵敏度；性能指标II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractLong-termmonitoringsystemconsistingofthetraditionalelectricalsensornotonlyexpensive,andtheindicatorssuchasstability,durability,andcorrosionresistanceispoorer,hasnotwel

7、lmeettheneedsoftheprojectforalongtime;FiberBragggratingasanewtypeallfiberpassivecomponentsgeteagerattentiongradually.ForfiberBragggratingpressuresensor,however,mostofthelimitationsinthepracticalengineeringapplicationisstronger,sodesigne