光纤光栅传感器在海床超孔压监测中的适用性研究
在人类迫切需要认识、研究海洋和吴立新院士“透明海洋”战略计划提出的大背景下，海底地质灾害相关研究也愈发成为各界人士关注的热点问题之一。而海底孔隙水压力作为一项反映海底地质灾害发生过程中的重要参数，其监测工作的重大意义不言而喻。现在，传统的传感器由于各种缺点很难应用于海底超孔隙水压力监测方面，而光纤光栅传感器由于其抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及与普通光纤良好的兼容性等优点被越来越广泛地应用。同时，压差式超孔隙水压力传感器由于其能在深海海底直接测得超孔隙水压力值，故其发展对海底地质灾害的监测起到至关重要的作用。 本论文围绕光纤光栅传感器在海底超孔隙水压力监测方面的应用研究，开展了以下几个方面的工作。 (1)概述了海底（超）理论和监测的研究现状和光纤光栅传感器的研究现状，详细介绍了光纤光栅传感器的原理和优势。 (2)研制了光纤光栅超孔隙水压力传感器，过程中对光纤材料的耐腐蚀性和耐压性能进行了试验。试验结果表明光纤材料在高压、腐蚀条件下具有稳定的波长值，涂覆光纤光栅比裸露的光纤光栅材料具有更强的稳定性，所以选择涂覆光纤材料，其在高压和腐蚀条件下完全能够满足深海超孔隙水压力传感器的材料要求。研制出的光纤光栅超孔隙水压力传感器标定拟合曲线R2能达到0.9999，线性良好。 (3)设计与研制了配套的搭载光纤光栅超孔隙水压力传感器的探杆及其监测系统，并对搭载光纤光栅超孔隙水压力传感器的探杆进行了灵敏性试验，室内水槽试验来模拟海底环境验证其实用性。数据分析显示，光纤光栅超孔隙水压力传感器不仅能够与试验过程中传统的压阻式传感器的监测结果相吻合，同时也体现了良好的稳定性和高灵敏度的特性，验证了光纤光栅传感器在超孔隙水压力监测领域的应用是成功的尝试。 (4)对试验数据进行了全面分析，结果验证了相关理论。通过人工造波和人工施加振动荷载两种方式使“海床”产生超孔隙水压力，并通过传统的压阻式孔隙水压力传感器、土压力传感器和光纤光栅传感器监测“海床”产生超孔隙水压力的情况。监测结果验证了弹性海床动力响应的相关结论:海床超静孔隙水压力的幅值随深度的增加而减小，有效应力幅值在海床表面下较浅区域内达到最大值;与海床表面波压力相比，海床内孔隙水压力和有效应力通常存在相位迟滞现象。 应认识到，本论文做的工作仅仅是光纤光栅传感器在海床超孔隙水压力监测方面起步阶段的尝试工作，大量相关研究亟待开展，结合实际监测需要，不断改进光纤光栅传感器在超孔隙水压力监测方面的技术和设备，使该技术从实验室走向实际应用，必定会为科研和生产带来巨大的推动。
海床超孔隙水压力;灾害监测;光纤光栅传感器
中国海洋大学
硕士
环境工程
孟庆生;刘涛
2015
中文
P715.5
80
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）