智能锚索系统开发中光纤传感关键技术研究

本研究拟解决光纤光栅传感器在锚索分布测量应用中埋置和温度补偿问题，并研究对预应力分布和变化规律及其长期工作状态监测的多点传感器的结构和信号检测技术等一系列关键技术，为最终实现对锚索运行状态监测和加固工程的稳定状态评价奠定重要的技术基础。本项目研究对于我国被迫锚固、大坝基础加固和索拉桥项目工程的安全化、智能化具有重要意义。

光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。

目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

阵列复用传感系统

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，也称为准分布式系统。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。

阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。

智能化光纤传感系统

目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智能化，实现信号获取、存储、传输、处理于一体。智能化光纤传感系统在许多新型应用领域受到广泛关注，如智能材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，在汽车工业、航空航天、医疗、安防、体育及土木工程等领域有着广泛的应用。

低频超低频振动测量技术在大型建筑、机械设备、航空航天、地球活动等领域起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。光纤传感技术因其抗电磁干扰、易组网和可远距离测量等优点，已成为低频振动测量技术中最具潜力的传感技术之一，但是对于构成“智能结构”现有的光纤振动传感器还存在一些问题，比如体积大、可探测振动频率范围下限偏高、温度交叉敏感等。 针对现有光纤振动传感器存在的问题，项目按照传感器的微型化、可探测振动频率范围低频化和消除温度交叉敏感的总体思想，分析了振动响应结构的理论模型及其阻尼和谐振频率对响应度的影响，研究了三种不同类型的全光纤微型化的低频超低频振动传感器，并在传感器的设计、制作、优化和环境响应特性测试等方面做了比较系统全面的分析。经过4年的研究完成了如下三个任务：(1). 设计基于微结构光纤和珐珀干涉仪的全光纤点式简支梁型低频超低频振动传感器；(2). 设计并制作带质量块悬臂梁式全光纤低频F-P加速度传感器和基于微结构光纤的摆锤型全光纤点式低频振动传感器；(3).设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅的振动和温度同时准分布式测量的全光纤传感器。设计制作的传感器集成了微振动梁和质量块结构，可以同时对振动和温度进行准分布式测量，可以有效探测0.5Hz～10Hz的振动，其信噪比高达28dB，为解调振动信息提供了足够保障。同时该传感器的温度特性线性度较好，实验测得在20℃～180℃内，FBGs的温度敏感度分别为8.55pm/℃和8.09pm/℃，该传感器在大型建筑物和机械质量监测应用中具有很大的实用价值。 发表SCI收录论文8篇；培养了2名博士生，6名硕士研究生；全面完成了该项目的预期目标。 2100433B

低频超低频振动测量技术在大型建筑、航空航天、地球活动等领域的监测中起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。结合课题组在光纤微加工和光纤低频超低频振动研究方面多年的研究基础，为进一步降低振动传感器的可探测频率、提高振动响应灵敏度和抗干扰能力，申请人提出一种高灵敏度的基于光动力学的微型化全光纤谐振频率扫描式振动传感技术。核心思想是利用光辐射压力和光制热应力来调节微振动传感器的谐振频率，从而实现基于微振动结构的低频和超低频振动测量的高灵敏度读出。该技术的突出优点是将全光纤振动传感器集成在光纤上来实现全光纤振动传感器的微型化；通过谐振频率扫描式的读出机制来实现弱振动的高灵敏度检测和提高抗干扰能力。因此该项目具有很好的学术研究意义和重要的潜在应用价值。