光子晶體光纖傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其工程應(yīng)用的方案設(shè)計.pdf

1、對于大型土木工程結(jié)構(gòu)如橋梁、隧道、大壩等,由于其投資大、服役周期長,使用環(huán)境惡劣等,結(jié)構(gòu)的安全性備受人們的重視。應(yīng)力應(yīng)變是反映結(jié)構(gòu)力學(xué)特征和材料性能的重要參數(shù),利用光纖傳感技術(shù)測量應(yīng)變已經(jīng)是工程技術(shù)人員采用的一種重要方法。同傳統(tǒng)的電測傳感器(如電阻應(yīng)變計)相比較,光纖傳感器具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電磁干擾、體積小、重量輕、靈敏度高和準(zhǔn)分布測量等優(yōu)點(diǎn)。在光纖傳感器中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)數(shù)光纖光柵傳感器,它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)異的特性獲得了結(jié)構(gòu)健康

2、監(jiān)測的青睞。然而光纖光柵對應(yīng)變與溫度都是敏感的,因此以光纖光柵作為傳感元件的光纖光柵傳感器,存在溫度和應(yīng)變交叉敏感問題。光子晶體光纖本身具有對溫度不敏感的性質(zhì),消除了交叉效應(yīng),而且傳感頭的靈敏度還可以通過改變光子晶體光纖的幾何形狀來調(diào)整。
　　 本文采用有限元法,較為深入地對光子晶體光纖(PCF)進(jìn)行了研究,特別對橫向應(yīng)力傳感的PCF進(jìn)行了仿真計算。主要進(jìn)行了如下工作:
　　 1.對光纖傳感器在國內(nèi)外的發(fā)展及研究現(xiàn)狀做了

3、綜述,論述了光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀及其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了光纖的基本結(jié)構(gòu)、光纖的分類、光纖的傳光機(jī)理和光纖傳感器的工作原理及其在土木工程中的應(yīng)用。
　　 2.以全內(nèi)反射的光子晶體光纖為例,建立了在橫向力作用下的光子晶體光纖傳感結(jié)構(gòu)模型。利用有限元分析軟件,對不同結(jié)構(gòu)參量的PCF結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。分別討論了空氣孔層數(shù)N、孔徑d、孔距人及填充率f對PCF結(jié)構(gòu)橫向變形的影響,并對PCF結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化出較合理的PCF傳

4、感結(jié)構(gòu)參量的取值范圍:填充率f的優(yōu)化取值是0.6～0.8,孔距人的最優(yōu)取值是6μm～9μm,空氣孔層數(shù)N的優(yōu)化取值是5～10。以PCF為傳感元件的光子晶體光纖傳感器可以根據(jù)其用途,并兼顧制備工藝的難度、成本來選擇合適的PCF結(jié)構(gòu)參量取值。
　　 3.結(jié)合光纖光柵傳感器工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),選用金屬管式的封裝方式,采用內(nèi)部埋設(shè)的安裝方法,設(shè)計了光子晶體光纖光柵應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測鋼筋混凝土簡支梁的試驗(yàn)方案。探索了將光子晶體光纖光柵傳感器用