管式封装FBG应变传感器应变传递率影响因素分析

目的研究自行开发的管式FBG应变传感器自身的应变传递率影响因素及相应的应变传递误差规律,为FBG应变传感器的设计与开发提供参考.方法采用有限元方法对封装的光纤光栅传感器进行应变传递分析.结果参考光纤、保护层、黏结层和封装材料之间的内部应变传递率和封装后的应变传感器外部保护层与基体材料之间的外部应变传递率是影响光纤光栅(FBG)应变传感器的应变灵敏度系数的两个决定因素.当封装钢管的直径和壁厚一致(胶层厚度一致)的情况下,胶黏剂的弹性模量越大,光纤的平均应变越小,变化非常明显,胶黏剂弹性模量分别为1.0×102MPa和2.0×103MPa时,钢管应变最大相差263μm.结论封装长度越长、胶粘剂的弹性模量越大,应变传递率越大.

基于应变传递率的管道结构损伤识别研究

为了研究海底管道损伤识别的分布式监测方法,在标量传递率概念的基础上提出了应变传递率概念和相应的损伤识别方法来对海底管道进行损伤识别,并通过有限元模型模拟对该方法进行了验证。对管道模型的不同损伤程度进行了分析,对比发现该方法相比加速度传递率和理论传递率对损伤程度更加灵敏。对不同边界条件进行分析,发现该方法对损伤位置的识别不受边界条件的影响。对参考单元的选取进行了验证分析,验证了参考单元应选择远离反弯点的非损伤位置。

温度对光纤布拉格光栅传感器应变传递率影响的试验研究

多数学者利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器研究应变传递率时,通常忽略温度对胶黏剂的影响,而胶粘剂在不同温度条件下的剪切模量不同,必然对应变测量所得出的结果造成影响。本文经过在恒温箱内等强度梁标定试验发现,同一FBG传感器在不同环境温度下标定得到的应变传递率不同,发现主要是温度对胶黏剂剪切模量影响造成的。通过应变传递率曲线分析得到,在其他条件相同下,同一等强度梁应变传递率随温度先升高后下降。

表面粘贴式FBG传感器应变传递率的影响因素综述

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器测量系统包括光纤、中间层、基体三部分。而由于三者力学性能、热力学性能的不匹配,基体的应变并不能完全传递至光纤,二者之间存在应变传递率。总结应变传递率的影响因素,并针对变温环境下的应用场景,给出了应变修正方程。

应变传递率运行模态分析方法及应用

运行模态分析方法在推导过程中多假设激励为白噪声,造成在应用上有一定的局限性。为解决此问题,提出一种利用应变测量的传递率运行模态分析方法。首先推导应变传递率表达式,利用两种不同载荷情况下的应变传递率函数构造伪频响函数矩阵,采用频域子空间估计方法来识别系统极点,然后使用奇异值分解技术对传递率矩阵分解获得模态振型。采用有限元仿真算例和飞行颤振试验数据对所提方法进行验证,结果表明,在非白噪声激励条件下,该方法仅利用测量的应变响应就可准确识别结构模态参数。

表贴式胶体与光纤弹性模量比对应变传递率的影响

表贴式光纤布拉格光栅传感器包括光纤、中间层、基体三部分,通过分析胶体与光纤的弹性模量比,探究胶体的弹性模量、泊松比、长度等因素对基体到光纤平均应变传递率的影响。实验结果表明,与未考虑弹性模量比时的平均应变传递率相比,考虑弹性模量比时,平均应变传递率随胶体弹性模量、长度的增加而增加,随胶体厚度、泊松比的增加而减小,随胶体宽度的增加先增加后减小,研究结果更符合实际应用情况。

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.

胶黏剂黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响

考虑到FBG传感器用于机床应变监测时,胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响,研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型,并将粘贴层简化为三参量固体模型,得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后,通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明:在恒定应力作用下,黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化,当粘贴长度在30mm以上时,FBG应变传递率随时间的变化在4%左右;当粘贴长度为15mm时,应变传递率变化接近7%。分析该结果得出:适当增加粘贴长度,减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。

地下结构地震横向应变传递及其影响因素

以变形控制为主线,提出了横向应变传递率(STC)的概念,以研究土层向地下结构横向应变传递的影响因素和影响规律。采用二维非线性动力有限元,分析地震动不同输入(峰值和波形)、土层不同性能(剪切模量和土层厚度)以及地下结构特征(埋深、宽高比)等参数对STC的影响。结果表明,引入的横向应变传递率的概念可以反映地震荷载-地下结构-土体间相互作用问题的本质,各种参数对STC的影响具有规律性:土层软硬对应变传递率影响显著,二者间呈幂指数关系;地震动输入对应变传递率有一定影响,二者间呈抛物线关系;工程常见土层厚度内,土层厚度变化对应变传递率的影响不大,基本可以忽略;地下结构埋深、宽高比对应变传递率影响较小,应变传递率基本为一常数。

地铁结构地震横向应变传递简化计算方法

提出了以横向应变传递率STC模型为基本出发点的地铁结构横向应变传递简化计算方法。以拟静力方法为基本出发点,以提出的土层横向应变率简化计算公式和常规一维土层分析为基础,给出了计算矩形地下结构地震响应简化计算方法,采用实例验证了方法的可靠性和可行性。结果表明,STC简化方法的结果能合理解释神户车站严重破坏的现象,与他人有限元计算的附加弯矩和剪力值分布趋势基本一致,与他人有限元计算得到的结构最大地震动力反应出现部位一致,定量结果的差别也在工程许可范围内。

非轴向力下粘贴式FBG传感器应变传递机制研究

研究了结构监测中粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器轴线方向与基体结构主应力方向成一定角度时,传感器测量的应变与基体结构实际应变的关系。建立了非轴向力作用下粘贴式FBG传感器应变传递方程和应变传递理论模型,并得到沿传感器标距各点的应变传递率、最大应变传递率和平均应变传递率。通过有限元仿真验证了理论模型的有效性,通过参数分析得到平均应变传递率随传感器角度变化的规律。研究结果表明:平均应变传递率随传感器角度的增大而减小,当传感器角度为零时,平均应变传递率最大,且方程形式与轴向力情况相同,因此推导所得的方程可归结为平均应变传递率的一般表达式;当传感器角度为90°时,平均应变传递率为零,此时传感器不能测出基体结构的应变。给出的理论模型及仿真结果对指导粘贴式FBG传感器在结构健康监测中的实际应用有参考价值。

光栅粘贴长度对应变传递影响的实验研究

表面粘贴作为光栅主要的粘贴方式之一,简单方便,应用广泛。光纤光栅实际栅区长约1.0～1.5cm,解调仪反映的是栅区的综合变化,实际粘贴长度影响测量结果。该文就光纤光栅不同粘贴长度影响应变测量结果作了实验研究,发现粘贴长度越长,结果与实际应变的误差就越小,实验结果将为光纤光栅封装等提供参考。

金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验

为实现对被测基体结构应变的精确测量,设计一种基于金属封装粘贴式光纤光栅应变传感器,建立了6层结构的应变传递模型,分析推导了被测基体层、基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层、保护层及光纤光栅层的应变传递机理,并通过理论分析和有限元仿真对比分析了光纤光栅长度、光纤粘胶层厚度、基底粘胶层厚度、中间层的弹性模量和泊松比等主要因素对平均应变传递率的影响.根据仿真结果,确定所设计的金属封装粘贴式光纤光栅传感器的封装材质、尺寸及粘胶层厚度.最后通过设计等强度悬臂梁作为施加载荷载体,提出应变传递误差修正系数,对上述铝合金封装粘贴式光纤光栅及裸光纤光栅传感器进行了应变传递对比试验.结果表明,裸光纤光栅和金属封装式光纤光栅传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%,与仿真计算误差在0.15%~0.25%以内.

FBG光纤智能螺栓应变传递的有限元分析

研究自行封装的FBG光纤智能螺栓的应变传递规律,分析胶层长度、胶层弹性模量和光纤位于通孔的位置对于应变传递率分布的影响,为FBG光纤智能螺栓的合理化封装提供重要参考。研究基于ABAQUS软件,建立FBG光纤智能螺栓的相关模型,得出不同条件下应变传递率沿胶层长度方向的分布曲线。结果表明,胶层的长度直接决定着较高应变传递率的长度;提高胶层的弹性模量可以提升整体应变传递的水平;光纤距离螺栓孔中心越远,螺栓与光纤之间应变传递率相对越大。

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。

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。

低模量基体对埋入式FBG传感器测量应变的影响

由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体不是直接接触,导致测量应变产生一定的损失,FBG传感器测量应变与基体真实应变不相等。为了提高测量精度,建立了FBG传感器应变传递理论模型,并利用有限元证明其正确性;讨论了结构参数对应变测量的影响。结果表明:FEM解与理论解误差在5%以内,平均应变传递率随着基体弹性模量的增大而逐渐增大,随着粘结层厚度的增大而逐渐减小。

基于光纤光栅的抗偏载压力环传感研究及其工程应用

为解决压力传感器在拉索索力监测中抗偏载能力不足的问题,设计了一种基于光纤光栅的组合式压力环,理论分析了粘贴式光纤光栅传感器与基体之间的应变传递率;根据索力监测量程,对承力支柱的弹性模量、直径、数量及光纤光栅自感知杆件预拉应力提出了设计要求。利用8个准分布式光纤光栅传感器预拉应变的恢复对索力进行监测,消除偏载对测量结果的影响。采用压力试验机对组合式光纤光栅压力环进行循环加载试验,结果表明,组合式光纤光栅压力环能有效监测荷载,其监测灵敏度约为2.2982×10^(-4)nm/kN,线性度误差≤0.821%、迟滞误差≤0.382%、重复性误差≤3.758%、总精度≤3.867%。利用组合式光纤光栅压力环对桥梁的索力张拉进行实时监测,并与油压表读数法、频率法相互验证,分析发现,组合式光纤光栅压力环和频率法监测的索力基本相近,误差在3.4%以内。组合式光纤光栅压力环利用分区承载、预拉应变的恢复实现受压监测,消除偏载弯曲产生的测量误差,提高监测精度高,改变自感知杆件预拉应力和承力支柱数量可实现多种规格拉索的索力监测,降低工程监测成本。

基于光纤布喇格光栅的测斜技术实验研究

与传统的测斜仪相比,基于光纤布喇格光栅(FBG)的测斜技术可实现自动实时监测。该文首先介绍了基于光纤光栅传感技术的测斜仪,通过建立理论模型和差分算法,根据测点处FBG测得的应变值计算出该点的挠度值,并将此挠度值与百分表实测挠度进行对比。通过实验验证了光纤光栅测斜技术的可行性。同时对FBG粘贴在3种材质测斜管表面的应变传递率进行了标定。结果表明,在聚氯乙烯(PVC)管的应变传递率可达95%,且PVC管的价格低,因此更适合在实际工程中应用。

影响光子秤精度的主要因素

本文主要从光纤光栅传感器的制作和传感器的封装以及光纤光栅传感器的平均应变传递率入手,阐明了在其中影响光子秤精度的主要因素。从理论上找到了提高光子秤精度的方法。