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近年来,随着人们在生产、生活中安全意识的提高,对桥梁、隧道、路基等建筑物结构健康监测的需求日益增大。其中,应变是一个相当重要的监测物理量,对于目前已有技术来说,应变分辨率普遍在微应变量级,难以满足某些特殊应用场合的需求,因此研究具有动态定量测量性能的纳应变传感技术具有重要的研究价值与广阔的应用前景。本文研究的动态纳应变定量测量技术是基于相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)实现的,具有高精度、长距离、分布式测量等优势,可响应外界极微弱的应力或温度变化。本文具体研究内容如下:首先,从光纤散射的基本理论出发,详细分析了传统OTDR和Φ-OTDR的基本原理,通过建立理论模型,从散射光相位、强度两方面详细推导了Φ-OTDR的应变传感机制。其次,通过建立Φ-OTDR散射数学模型,对Φ-OTDR散射过程进行了数学仿真,同时分别对散射光相位、强度与应变的定量关系进行了仿真实验。仿真结果证明固定间隔下散射光相位差变化量与应变量之间存在线性关系,散射光强度标准差与应变量之间存在线性关系。最后,搭建了Φ-OTDR动态纳应变定量测量实验装置,通过外差探测和IQ解调对散射光的强度和相位信息进行实时解调。实验测定了散射光强度标准差与应变定量关系,通过增大样本数据长度减缓光纤各个位置处的应变灵敏度不一致性,此种方法所能达到的系统应变分辨率为6 nε。此外,本文提出通过测量固定间隔处的相位差来进行应变定量测量,这也是一种测量光纤应变折射率系数的新方法。实验测定所用的熊猫型保偏光纤折射率应变系数为-0.375ε-1,系统应变灵敏度为8.71 mrad/(nε·m),系统应变分辨率为1 nε/2 nε,分别对应5m/2.5 m空间分辨率。在此基础上对系统动态测量性能进行了研究,系统可响应频率为24 Hz,应变幅度为50 nε的三角波应变信号,同时也可响应频率为188Hz的光纤共振信号,证明系统具备动态纳应变定量测量的能力。