光綹光柵多參數(shù)傳感理論技術(shù)研究及在地下工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，在交通、水利水電與礦山等領(lǐng)域正在或即將修建大量的隧道(洞)等地下工程，隨著重大交通與水電工程向西部山區(qū)轉(zhuǎn)移以及礦山采掘深度的增加，地下工程施工中所遭遇的水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜，突涌水、塌方等高風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。在目前地下工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)落后的情況下，地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)已經(jīng)成為亟待解決和突破的關(guān)鍵科技難題。光纖光柵傳感技術(shù)的不斷發(fā)展為解決該難題提

2、供了可行的途徑，但目前光纖光柵傳感器種類(lèi)少，傳感系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、測(cè)量參數(shù)單一，且傳感器信號(hào)提取及分析技術(shù)落后，不能有效剔除啁啾效應(yīng)的影響，尚不能滿足地下工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的需要。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本文以光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating，簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)傳感理論與技術(shù)研究為突破口，以重大地下工程地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)為依托，在深入分析光纖光柵本征參數(shù)與應(yīng)變分布對(duì)反射光譜特性影響的基礎(chǔ)上，提出了基于光譜中心

3、波長(zhǎng)位置約束的光柵光譜重構(gòu)理論及其改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵啁啾效應(yīng)的快速準(zhǔn)確識(shí)別與剔除，提出了傳感器數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研制了高靈敏度滲壓傳感器、新型應(yīng)變傳感器、靶式流速傳感器、微型位移傳感器與多點(diǎn)位移傳感器；構(gòu)建了大容量、多參數(shù)光纖光柵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)研究成果已在不同地下工程地質(zhì)災(zāi)害模型試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。本文的主要研究工作如下：
　　 (1)針對(duì)光纖光柵光譜特性同時(shí)受多個(gè)參數(shù)影響這一基礎(chǔ)問(wèn)題，基于光纖光柵傳輸

4、矩陣?yán)碚摷皯?yīng)變傳感模型，開(kāi)發(fā)了光纖光柵光譜仿真程序，揭示了光纖光柵本征參數(shù)及應(yīng)變分布對(duì)反射光譜特性的影響規(guī)律，尤其是沿光柵的應(yīng)變分布對(duì)光柵反射譜中心波長(zhǎng)、反射率及帶寬等因素的影響，通過(guò)兩端固定壓桿調(diào)諧光纖光柵試驗(yàn)，獲得了光纖光柵在非均勻應(yīng)變條件下的光柵反射譜，驗(yàn)證了光纖光柵數(shù)值分析的有效性，為光纖光柵參數(shù)重構(gòu)與傳感器研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 (2)針對(duì)以往光纖光柵參數(shù)重構(gòu)尤其是應(yīng)變分布重構(gòu)效果差且收斂速度慢的難題，提出了基于中

5、心波長(zhǎng)位置約束的光纖光柵參數(shù)重構(gòu)理論及其改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化方法，解決了以往光纖光柵參數(shù)重構(gòu)中未考慮中心波長(zhǎng)相對(duì)位置而導(dǎo)致重構(gòu)效果差的難題，顯著改善了重構(gòu)的非唯一性和置信度，開(kāi)發(fā)了光柵本征參數(shù)與應(yīng)變重構(gòu)程序，系統(tǒng)的開(kāi)展了光纖光柵參數(shù)重構(gòu)數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)合兩端固定壓桿調(diào)諧光纖光柵試驗(yàn)，驗(yàn)證了該重構(gòu)方法的有效性、適用性和可操作性，形成了一種光纖光柵參數(shù)精確重構(gòu)方法。
　　 (3)針對(duì)光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)方法落后的現(xiàn)狀，基于有限元數(shù)值分析方法

6、，提出了光纖光柵傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了光纖光柵重構(gòu)理論與標(biāo)定試驗(yàn)相結(jié)合的光纖傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。針對(duì)目前光纖傳感器種類(lèi)少、與周?chē)橘|(zhì)匹配性差的難題，突破了光纖光柵傳感技術(shù)用于滲壓、流速等傳感測(cè)量的技術(shù)瓶頸，采用基于有限元理論的光纖光柵傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研制了高靈敏度光纖光柵滲壓傳感器與靶式光纖光柵流速傳感器，同時(shí)基于被測(cè)物體基體材料研制了與周?chē)橘|(zhì)匹配性能好的光纖光柵應(yīng)變傳感器，開(kāi)發(fā)了微型光纖光柵位移傳感器與多點(diǎn)位移傳感器，構(gòu)建了

7、適用于地下工程地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息識(shí)別的新型傳感器體系。
　　 (4)針對(duì)目前光纖傳感系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)量參數(shù)單一的難題，基于波分復(fù)用與空分復(fù)用理論，構(gòu)建了多參數(shù)、大容量光纖光柵傳感系統(tǒng)，并采用Labview與C++Builder開(kāi)發(fā)了地下工程災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)視與在線分析軟件，實(shí)現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)的同步采集與實(shí)時(shí)顯示。
　　 (5)針對(duì)地下工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)中傳感器靈敏度低、防水性能差的缺陷，將光纖光柵傳感系統(tǒng)用于工程災(zāi)害關(guān)鍵物理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)