冬季结冰现象普遍存在于我国北方及许多高纬度国家与地区。进入冬季后,随着气温降低,河道、湖泊、水库等冰层逐渐生成,当冰层达到一定厚度后,在气温升高的时期,冰层会产生巨大的膨胀力,给水工建筑与设备带来压力(即本文所说的静冰压力)。这种压力对水工建筑与设备的安全运行带来极大的威胁,甚至灾害。因此,实时、准确地检测并获取静冰压力的数值是水工建筑与设备设计,冰压灾害预报必须考虑的一个重要指标,是冰工程领域急需的一项技术。静冰压力检测是一个涉及热学、工程力学、气象学等多学科交叉的技术问题,研究虽有难度,但具有十分重要的理论与工程应用价值。近年来,光纤光栅的制作工艺和解调仪器逐渐商业化,光纤光栅越来越多地应用到传感领域。目前,现有的压力传感器大多是基于电阻或电感测量原理,以电信号的形式传递给相应的检测仪器进行采集,保存。光纤光栅本身具有耐腐蚀,抗寒,防潮,抗电磁干扰,可进行复用等优点。相对传统的电类传感器而言,在进行压力传感时,光纤光栅可适用于各种恶劣的现场检测环境,同时检测精度高,可靠性好,非常适合对静冰压力进行检测。综合以往静冰压力检测的相关知识,运用新型的光纤光栅传感元件,本文设计了基于光纤布拉格光栅传感系统,对实验室条件下的静冰压力进行了检测试验研究。论文主要研究内容包括:(1)通过阅读大量文献,系统地阐释了静冰压力的研究背景和产生原理。搜集了国内外的静冰压力检测的相关资料,总结了现有的静冰压力检测方法,并对研究成果进行了客观的分析。在总结前人研究成果的基础上,结合近十几年快速发展的光纤光栅相关技术,提出了一种实现静冰压力检测的新思路;(2)从理论上介绍了非线性克尔效应混沌产生原理,并搭建了混沌光源产生系统。通过环形腔内激光器激励电流的调节和偏振器偏振态的调节,形成了混沌激光,为解调系统提供了光源;(3)利用压电陶瓷的磁致伸缩效应,将光纤光栅固定在压电陶瓷上,通过腔长的改变来控制透射光的中心波长,实现了对系统光源的可调谐滤波。通过驱动电源的设计实现了对压电陶瓷的驱动;(4)通过对不同温度传感元件的比较,最终选用高精度热敏电阻作为温度传感器。利用高性能数字温度测量芯片LTC2983组成实时高精度温度测量系统。通过对系统实时温度的测量,进而对整个静冰压力检测系统进行温度补偿;(5)利用设计的光纤布拉格光栅静冰压力传感系统对实验室条件下的静冰压力进行了检测。通过对光纤布拉格光栅中心波长的解调,获得被测静冰压力的理论值。试验中通过温度补偿,剔除了温度变化对静冰压力检测精度的影响。本文的研究为静冰压力的现场实时检测提供了一种全新的途径。
