基于黑体光源的光纤法珀传感器高温应变测量研究.pdf

中文摘要 摘 要 大型特种设施与装备是保证现代国防建设，保障国民生产的关键所在，其核心 部件如航空发动机涡轮叶片、核电站锅炉蒸汽管道等长期工作在高温、高压的极端 恶劣环境下，为确保其正常工作，需对其进行长期的结构健康监测。对比现有的监 测手段，光纤法珀传感器凭借测量灵敏度高、安装尺寸小、不受电磁干扰、受温度 影响较小，长期稳定性好等诸多优点，具有在极端工作环境下进行结构健康监测的 应用前景。但现有的方法多采用复杂的复合腔式法珀传感器结构，导致其机械强度 差。若能结合实际的监测环境，合理运用高温下的黑体自发辐射特性，既能为测量 系统提供光源支撑，也可能根据黑体辐射的温度特性，实现温度补偿。 为此，本文提出了一种基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器高温应变测量方 案，即采用高温下的黑体自发辐射作为光纤法珀传感器测量系统的光源，采用透射 型单腔光纤法珀传感器进行高温应变测量，利用黑体辐射与温度的对应关系，实现 温度补偿。从基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器解调方法与温度补偿原理、黑体 辐射光源结构优化设计、光源与光纤的强度耦合效率等角度进行了理论分析和实 验研究，开展了如下研究工作： ① 基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器的应变解调与温度补偿原理研究。分 析了基于黑体辐射光源的光纤法珀传感器输出信号的特征，研究了基于相关运算 的信号解调方法，分析了光源参数与传感器参数等对信号解调精度的影响。建立了 高温应变测量模型，根据黑体辐射光源中心波长与温度的对应关系，分析了其温度 补偿机理。 ② 黑体辐射光源结构及其与光纤耦合效率研究。为提高黑体光源的入纤强度， 分析了黑体腔结构、高发射率涂覆材料、耦合结构等因素对耦合光强度的影响。重 点研究了锥形光纤端面、球形光纤端面与黑体光源的耦合效率，并开展了相应的验 证实验。结果表明：相比平光纤端面耦合方式，锥形光纤端面与球形光纤端面的高 耦合效率分别提高约50%和80%。 ③ 实验研究。搭建了基于黑体光源的光纤法珀传感器高温应变测试系统，通 过对光纤法珀传感器进行温度和应变灵敏度实验、基于黑体辐射源的温度补偿标 定实验以及300℃ 以内的高温应变测量实验，验证了高温应变测量理论模型的可行 性。 关键词： 黑体辐射，光纤法珀，高温应变测量，温度补偿 I 英文摘要 ABSTRACT Large-scale special facilities and equipment are the key to ensuring modern national defense construction and ensuring national production. Its core components such as aero- engine turbine blades and nuclear power plant boiler steam pipes have long-term work under extreme conditions of high temperature and high pressure, in order to ensure their normal operation, it is essential to carry out long-term structural health monitoring. Compared with the existing monitoring methods, the fiber Fabry-Perot sensor has the advantages of high measurement sensitivity, small installation size, no electromagnetic interference, little affected by temperature, long-term stability, etc., which has application prospects for structural health monitoring i