摘 要

本次毕业设计意义在于设计一个光纤光栅应变传感器，通过封装和标定等过程来保障在临时舞台应用时的传感特性，同时与温度传感器相互配合构成传感网络，对临时舞台结构健康安全进行实时监测，对于这一方面的安全性保障有着现实意义。

为达到这一目的，首先查找光纤光栅各方面资料，了解了光纤光栅的发展历程，学习了相关的理论知识，之后根据临时舞台应用的需求选用了片式光纤光栅应变传感器，设计了封装铠甲的材料结构，确定了其封装工艺。随后对封装后的传感器进行标定处理，排除了封装材料对传感器的应变灵敏度的变化，然后在实际应用得出测量数据。

最后设计出了能够在舞台各处安装，应变灵敏度良好的光纤光栅传感器，在临时舞台监测系统中也能实现实时监测的作用，能够显示舞台各个部分的应力变化。

关键词：光纤光栅；传感器；临时舞台；结构健康监测

Abstract

The significance of this graduation project is to design a fiber Bragg grating strain sensor, which can guarantee the sensing characteristics when it is applied in the temporary stage through the process of encapsulation and calibration. At the same time, it can cooperate with the temperature sensor to form a sensing network to monitor the health and safety of the temporary stage structure in real time, which has practical significance for the security guarantee in this aspect.

In order to achieve this goal, I first looked up all aspects of FBG data, understood the development process of FBG, learned the relevant theoretical knowledge, and then designed the material structure of the packaging armor according to the requirements of the temporary stage application, and determined the packaging process.After that, the sensor is calibrated to eliminate the change of the packaging material to the sensor's strain sensitivity, and then the measurement data is obtained in practical application.

Finally, a fiber Bragg grating sensor is designed, which can be installed in all parts of the stage and has good strain sensitivity. It can also realize real-time monitoring in the temporary stage monitoring system, and can display the stress changes of all parts of the stage.

Key words: Fiber Bragg grating； sensor； temporary stage； structural health monitoring

目 录

摘 要

Abstract

第一章 绪论 7

1.1 选题背景及意义 7

1.1.1 选题背景 7

1.1.2 选题意义 7

1.2 国内外研究现状及发展状态 8

1.3 舞台监测系统的实现 10

1.4 论文主要工作 11

第二章 光纤光栅传感器 12

2.1 光纤光栅传感器的特点 12

2.2 光纤光栅传感原理 14

2.2.1 光纤布拉格光栅传感原理 14

2.2.2 光纤布拉格光栅的应变传感模型 15

2.3 本章小结 16

第三章 光纤光栅应变传感器封装与标定 17

3.1 光纤光栅应变传感器封装原因 17

3.2光纤光栅应变传感器封装材料 17

3.3 光纤光栅应变传感器封装结构 18

3.4 光纤光栅传感器封装工艺 19

3.5 光纤光栅传感器标定方法及原理 19

3.6 标定实验和分析 20

3.7 本章小结 24

第四章 实际应用及检测 25

4.1 光纤光栅传感器布局 25

4.2 实际测量数据 26

4.3 警报部分 28

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

参考文献 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.1.1 选题背景

随着科技经济的不断发展，当代人们不仅仅对物质需求较大，精神文化需求也在持续增长，临时舞台演出是我国极为普遍的一种表演形式，应用十分广泛，比如明星演唱会，综艺活动需要，请客吃喜酒等等诸多场合都需要进行临时舞台搭建来丰富表现形式，增强表演效果，但在户外舞台表演活动增加的同时，也暴露出了一系列的安全问题。比如2019年5月25日金水仙大剧院中儿童舞蹈海选现场表演时，台上正中央的升降小舞台突然塌陷，最终导致14人受伤1人遇难，这样的事故并不是举出来的特例，事实上，许多明星的演唱会都出现了各种各样的问题。比如李玉刚演唱会中途舞台升降出现问题，蔡依林演唱会舞台建造时坍塌等等。在享受着舞台表演形式和内容多样的同时，也应该注意到临时舞台的隐患及其构建过程中的安全问题等。

临时舞台搭建由于装台时间短，多工种同时作业，主办方为了节省成本等多方面原因，经常有着以下三点问题：

（1）舞台台上倾覆，临时舞台在搭建背景架时需要考虑到显示屏，舞台灯光，音响等多方面的问题，对背景架构建要求高；

（2）舞台台下坍塌，临时舞台台下部分是人群运动的主要部分，舞台坍塌也是舞台事故的多发点之一，主要是由于舞台承载的重量超出承载限度；

（3）其他安全事故，如摔倒，人群拥挤踩踏，消防安全用电安全等等。

1.1.2 选题意义

在临时舞台演出越来越多，且安全问题频发的情况下，应该对舞台安全问题严肃对待处理，不能将舞台事故看成一次次偶然。因此在察觉该问题的严重性后，在本次毕业设计中设计临时舞台光纤光栅震动传感器，与温度传感器配合构建光纤光栅多源同构传感网络，根据临时舞台演出特征，对光纤光栅传感网络进行平衡设计，最后实现集火灾监测，舞台机械结构安全实时监控，周界防护于一体的光纤光栅临时舞台安全传感系统。

1.2 国内外研究现状及发展状态

1978 年加拿大通信研究中心的 Hill 等人发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界第一根光纤光栅，其折射率呈周期分布，被称为“Hill 光栅”。光纤光栅的性能为传感器的研究和应用开辟了新的前景，然而，由于光纤光栅传感器的写入效率较低，人们对光纤光栅传感器的研究一直比较缓慢。1989 年，GeryMeltz 等学者采用一种新型制作方法——激光侧面写入法，成功造出了一种能较大程度提高光纤写入效率，更能变换两相干光的夹角从而调整光纤光栅的布拉格波长，即光纤布拉格光栅。它的出现让受效率所缚原本只能在实验室小量制作的光纤光栅改变了现状。光纤布拉格光栅的出现无疑推动了光纤光栅的大范围研究以及制造方式的发展。

Hill于1993年又利用紫外光在相位掩膜衍射之后的±1 级衍射光线形成的干涉条纹，随后对光纤曝光，之后写入光纤光栅，这种方法被称为相位模板写入法。这种技术优点在于让光栅制作不再局限于光源相干性。随后，光纤光栅的生产更加灵活，生产条件更宽泛，局限更小，由此进入可以大规模制造的阶段。然而在实际生产制造过程中，使用相位模板写入法必须精确把握住相位掩膜光栅的占空比以及刻蚀深度。