光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。

测量炸药旁侧爆轰波速度的啁啾光纤布拉格光栅传感器技术

提出了一种适用于啁啾光纤布拉格光栅CFBG(chirped fiber Bragg grating)传感器测量爆轰波速度的实验公式,该公式考虑了ASE(amplified spontaneous emission)光源的光谱、CFBG的平坦度对测量的影响;研究了CFBG的反射谱线宽与长度的理论关系,并设计了测量CFBG反射谱线宽的实验装置,从而可计算出CFBG长度。搭建了测量CFBG传感器系统常数的实验装置,并利用实验数据拟合了系统常数;用CFBG传感器测量了RDX/TNT(60/40)的旁侧爆轰波速度,与其爆速有3.4%的差异。

埋入光纤布拉格光栅传感器的智能碳纤维复合塑料

根据弹性力学和边界条件,得出了光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变测量值与基体材料实际应变的关系方程。通过裸光栅直埋基体材料界面传递的特征系数,可表征和计算FBG检测应变与测点实际应变的误差及修正系数。并对固化于CFRP的FBG变传感特性进行了实验研究。结果表明:FBGBragg波长对应变表现出很好的线性和重复性。用电阻应变仪对FBG传感器应变传感特性进行实验对比标定,得出了表征FBG性能的应变传感灵敏系数。FBG传感器具有优异的应变传感特性,为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。

高可靠光纤布拉格光栅传感器网络传输风险预测

高可靠性光纤布拉格光栅传感器网络传输存在风险性,为保证传输数据的安全性和有效性,对传感器网络传输风险进行预测是当下迫切需要解决的问题。传统的传感器网络传输风险性预测存在预测效率低、时延长、准确性差的缺点,为解决这一问题,提出高可靠光纤布拉格光栅传感器网络传输风险预测。通过构建风险数据采集模型、提取数据特征量、进行分布式信息重构等步骤实现风险预测方法设计。仿真实验表明,预测距离10~40 m时,该方法均处于90%以上的较高效率水平;开销196~461 Hz,小于传统方法;时延低于0.3 s,实时性优于传统方法;且相对误差不高于3%,具有更高精度。

基于双包层光纤布拉格光栅传感器的锂电池组温度场监控

锂离子电池是当今最通用的储能技术之一,锂电池的可靠性和安全性一直是业界追求的目标,因此准确监控电池安全状态显得尤为重要.锂电池内部的热失控是一切锂电池安全问题的根源,为克服目前锂电池组温度测量系统测温精度不高,较高温度下长时间工作稳定性不足等问题,本文提出了一种基于双包层光纤布拉格光栅(FBG)的准分布式锂电池组温度监测系统.通过搭建4通道16个双包层FBG点位对18650锂电池组进行温度场及鼓包形变监测,结果表明在0—450℃的温度条件下可以精确确定由短路等问题产生异常温度升高的点位,相应温度灵敏度为10 pm/℃,分辨率达0.1℃,并且贴于锂电池壳体表面的双包层FBG还可以监测电池壳体表面出现的鼓包形变现象,其纵向压力应变灵敏度达142 pm/N.本文的双包层FBG准分布式锂电池组温度场监测系统既可以保证高精度的温度、形变测量,同时具有良好的稳定性和抗干扰能力,表明本文的研究工作有望为锂电池组的安全监测和使用提供可靠的理论与实验依据.

基于光纤布拉格光栅传感器的永久路面结构响应监测研究

依托河北京德高速新建项目,开展了光纤布拉格光栅(FBG)传感器在永久路面结构力学响应监测中的应用研究。提出了FBG传感器监测路面结构面层、基层和路基力学响应的一种布设方案;结合布设方案,统计了FBG传感器在沥青混合料面层、水泥稳定碎石基层和无机结合料稳定土路基实际施工环境中的存活率;结合成活传感器施工过程的监测数据,分析了传感器在评估施工压实均匀性中的应用;通过车辆加载实验,分析了动载作用下车辆轴载、轴型和速度对结构层应变响应的影响规律。研究表明:路面实际工况下,传感器的成活率不高且面层传感器成活率最低,说明沥青混合料层的高温施工环境对传感器存活极为不利;成活的FBG传感器与面层、基层和路基材料具有较好的协同变形特性,可以实现结构层施工碾压过程均匀性的评估分析和动载作用下路面结构力学响应的监测。

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。

光纤布拉格光栅传感器监测环氧树脂固化收缩研究

采用光纤布拉格光栅传感器对处于自由状态的热固性树脂在固化工艺过程中的温度和应变进行了实时在线监测,并且利用传感器的测量数据得到了固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数。结果表明:应用光纤布拉格光栅传感器能够实现从树脂凝胶点开始对固化过程中由于体积变化导致的树脂内部应变变化实时在线监测;传感器测得的固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数结果与热膨胀仪的测量结果相当;利用光纤布拉格光栅传感器测量热固性树脂的固化收缩具有较高的灵敏度和可靠性。

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理 ,综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状。由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约 ,因此 ,寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提。根据光纤光栅所具有的高精度绝对测量、准分布式数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点 ,提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术 。

光纤布拉格光栅传感器用于混凝土结构施工监测

采用与土木工程施工特点相适应的操作工艺与保护方法,将自行研制的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器与温度传感器埋入一幢5层钢筋混凝土结构的大楼中,用以监测该建筑在施工过程中梁、柱的应变与温度变化.研究结果表明,埋入的FBG传感器可以方便地监测施工过程中混凝土结构内部温度与应变的变化,为混凝土结构的健康监测提供依据;自行研制的FBG传感器传感性能良好,成活率高,寿命长,为基于FBG传感器长期的混凝土结构健康监测奠定了基础.

光纤布拉格光栅传感器应变传递耦合机理分析

建立了半平面体与光纤布拉格光栅传感器双向耦合的应变传递理论,得到表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量应变与半平面体应变之间的关系.将理论解、有限元解和实验数据进行对比以验证该理论的正确性,并分析了应变传递率与半平面体弹性模量、半粘结长度的关系.结果表明:理论解与实验值非常接近,误差在4%以内,应变传递率随着半平面体弹性模量的增大、半粘结长度的增长而逐渐增大,对光纤布拉格光栅传感器的设计和应用具有一定的参考价值.

一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅已经成为非常有前景的温度、应力及其它参数测量的传感元件,但其存在温度和应力的交叉敏感问题。提出了一种双包层半径光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光纤光栅分成两半,各自具有不同的包层半径,其中一半保持不变,另一半包层半径从62.5μm减小到40μm。实验结果表明,两半光纤布拉格光栅的温度灵敏度均为10.4 pm/°C,而应力灵敏度分别为1.12 pm/ue和3.89 pm/ue。初始的单个布拉格反射峰分裂成两个,分别对温度和应力敏感,而两个反射峰之间的波长差只受应力的影响,随着应力的增加其波长差逐渐增加。因此,通过这一个光纤布拉格光栅即可分辨出温度和应力所引起的布拉格波长漂移。该光纤光栅传感器结构简单、体积小巧、成本低廉、制作方便,可以广泛应用在各个领域实现温度和应力的同时测量。

光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借其体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布或者准分布式测量、可实现远距离的监测与传输等优点,在土木工程健康监测中得到日益广泛的应用。本文在光纤布拉格光栅(FBG)传感器的传感原理、标定试验研究基础上,讨论了利用FBG传感系统监测钢架结构在冲击荷载作用下的应变和加速度的可行性;同时利用ANSYS有限元分析软件建立了适用于结构分析的有限元模型,对钢架结构进行了详细的仿真分析计算,最后对理论计算结果及实测结果进行了详细的对比分析,所取得的结果比较接近。研究表明,光纤布拉格光栅传感器可以很好的测量钢架结构的动态响应。

一种基于电光晶体材料包层的新型光纤布拉格光栅传感器

设计了一种包层为单轴晶体LiTaO_3的新型光纤布拉格光栅传感器,将一个布拉格光栅分成两半,仅在其中的一半包层上施加电场,另一半保持不变,应用耦合模理论和电光效应原理研究了有外加电场时的传感性能.研究结果表明,由于包层材料的电光效应,布拉格反射峰将由初始的一个分裂成两个,分别对温度和电场敏感.其中无外加电场的一半光栅的温度灵敏度为14.31pm/℃,与之对应的布拉格波长漂移只与温度有关;当电场强度从0v/m增加到400×107 v/m时,有电场的一半光栅的温度灵敏度从14.31pm/℃降低到14.13pm/℃,与之对应的布拉格波长漂移不仅与温度有关,还受到电场强度的影响.因此,应用该传感器可分辨出温度和电场强度所引起的布拉格波长漂移,从而实现了温度和电场的同时测量,尤其在高电压领域具有潜在的应用价值.

基于光纤布拉格光栅传感器的衬砌结构内力监测与分析

为了解施工期隧道衬砌混凝土应变和结构内力大小、分布及其变化,及时发现衬砌早期安全隐患,避免隧道失稳,文章结合工程实际情况,采用波分复用(WDM)技术串联构成线性光纤光栅(FBG)传感器阵列,通过对典型断面二次衬砌应变进行连续监测,获得了大量原始数据;通过绘制时态曲线和内力图,经分析得到二次衬砌混凝土早期应变及结构内力变化规律。实践证明,这种方法能适应隧道恶劣环境,测试精度高,可广泛应用于隧道结构现场测试。

光纤布拉格光栅传感器的一种波长解调方法

光纤布拉格光栅(FBG)经过中心波长解调,可实现对应变、温度等物理量的高精度传感检测.在光纤光栅传感中,如何检测中心波长的微小移位是传感解调的核心问题.为此,文中介绍了一种基于互相关原理的FBG中心波长解调方法.FBG的初始光谱和被调制后的受扰光谱形状相似,只是中心波长产生了漂移,通过对初始光谱与受扰光谱互相关值的解算,即可解调出中心波长的位移量.将实验结果与自相关法、功率加权法和最小二乘法等波长解调方法进行了对比,结果表明互相关方法可以有效地进行中心波长解调.

基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦

针对三维力传感器维间耦合干扰严重的问题,以双层十字梁结构光纤布拉格光栅三维力传感器为研究对象,提出了基于麻雀搜索算法优化极限学习机(Sparrow Search Algorithm–Extreme Learning Machine,SSA-ELM)的解耦算法。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感及测力原理,揭示该三维力传感器波长漂移量和力的映射关系,分析其结构耦合特性;然后,构建标定实验系统进行标定实验;最后,建立了极限学习机非线性解耦模型,利用麻雀搜索算法优化模型,获得网络最佳初始权值和阈值,兼顾解耦精度和效率,寻找极限学习机隐含层节点与SSA迭代次数的最优参数组合,解耦后Ⅰ类误差最大为1.18%,Ⅱ类误差最大为1.14%,解耦训练时间为1.7786 s。为验证解耦效果,将SSA-ELM算法与最小二乘法、极限学习机算法解耦结果对比。实验结果表明:SSA-ELM算法解耦训练速度较快,能更有效地构建三维力的维间耦合关系,降低传感器Ⅰ,Ⅱ类误差,具有较好的非线性解耦能力。

光纤布拉格光栅传感器拉力和温度交叉关系的研究

在光纤光栅传感器的应用中,是由拉力还是由温度引起的波长测量值的变化是很难区分的。用定义拉力和温度的相关函数方法,把温度因素从波长与温度、拉力的交叉关系中分离出来,对光纤布拉格光栅的拉力和温度之间的相关特征进行理论研究,并用实验装置进行实验数据的测定。实验中,拉力在1 000～16 000με,温度在1～30℃之间时,相关函数项的实验数据与理论计算基本一致。这样,当光纤布拉格光栅(FBG)类型的传感器被应用于探测比较大的建筑物的结构形态时,温度和拉力之间的相互影响就可以用这种方法被估算出来。