基于长标距光纤光栅传感器的连续梁桥监测技术

对光纤光栅传感器的原理进行理论分析,提出长标距光纤光栅传感器的概念,提出长标距光纤光栅传感器的制作工艺,分析长标距光纤光栅传感器的应用特点,将长标距光纤光栅传感器应用于大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工过程与长期监测,优化提出布设方案及布设施工工艺,对桥梁关键截面的应力监测数据与理论数据进行对比分析,结果表明长标距光纤光栅传感器具有实测数据稳定、可靠、精确和准分布等优点,能实现对桥梁应力、温度等多项内容的实时监测,是一种有效的结构监测传感器。

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发，分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度．结果表明，长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关，还强烈依赖于包层参数．通过选择适当的参数，可以制成对温度（或应变）不敏感的应变（或温度）长周期光纤光栅传感器，从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题．同时，利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

基于长周期光纤光栅的动态轴向应变传感器

基于高频CO2激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅(LPFG)独特的弯曲特性,提出了一种新的动态轴向应变传感器设计方法。该方法利用新型LPFG向特定方向弯曲时,谐振峰幅值与波长随光栅弯曲率的改变而灵敏地发生线性改变的特性,将动态轴向应变转化为LPFG弯曲曲率的动态改变进行测量。理论和实验表明:系统最后探测到的交流电压随轴向应变的增加而增大,应变灵敏度可达57.56mV/10-6。在施加频率为300 Hz、其值为0.69×10-6的动态轴向应变时,分辨力可达1.6×10-9/H z,信噪比可达61 dB。该方法可用于制作操作简单、分辨力高,成本低廉的动态轴向应变传感器。

基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法

常规光纤光栅应变传感器参数优化方法主要依托于麻雀搜索算法,但此方法忽略了应变传递的影响,导致传感器灵敏度较低,无法保证测量精度。为此,提出基于加权最小二乘法的光纤光栅应变传感器参数敏感性自动优化算法。依据光纤光栅应变传感器的组成结构与工作原理,充分考虑应变传递系数的变化规律,计算应变传递损耗,并采用光传输矩阵计算光纤中心波长的电场振幅,由此得到传感器敏感场分布,结合模式耦合理论,以敏感场分布均匀性和最大电容与最小电容比值最小为目标函数建立参数优化模型,并采用加权最小二乘法对采样点加权获取优化响应值,进而得到传感器最优结构参数。对比实验结果表明,利用所提方法对光纤光栅应变传感器参数进行优化后,传感器的灵敏度较高,保证了传感器的测量精度。

基于光纤光栅传感器的游乐设施框架结构应变智能监测方法

游乐设施在运行中易受外界环境干扰,导致其应变力信号波动幅度较小。因此,文章设计一种基于光纤光栅传感器的游乐设施框架结构应变智能监测方法。该方法利用光纤光栅传感器的高灵敏度和稳定性,能够精准采集游乐设施框架结构的应变数据。在设置监测约束条件时,文章充分考虑应变监测的目标函数,通过提取应变幅值、应变速率等关键特征,实时掌握结构在受力作用下的变形情况。一旦发现应变数据超过预设的安全阈值,系统会立即发出预警信号,提醒管理人员迅速采取措施。实验结果表明,在200~300 mm和400~500 mm的关键测试点位,该智能监测方法监测到的应变力信号波动幅度显著,且与实际信号变化情况高度一致,显示出优异的监测效果和极高的准确性。

光纤光栅应变传感器校准的环境温度测量系统及其标定方法研究

在光纤光栅应变传感器性能测试及关键参数标定校准中,为了准确测量环境温度值,控制环境温场稳定、均匀,提高光纤光栅应变传感器测试准确性,设计了采用标准铂电阻和多路优良热电偶实现空间多点的温场测量方法;通过20℃时温度变化3℃范围内热电偶标定实验和系统的测量不确定度分析,得到整个系统实际测量不确定度在5 mK以内,满足光纤光栅应变传感器的测试需求.

基于长标距光纤应变传感器的桥梁挠度识别技术研究

主梁挠度能够直观的反映桥梁的工作状态及适用性,通过监测变形可以实时了解桥梁运行状态及损伤情况,是评估桥梁健康状态的重要指标。开展了基于长标距光纤应变传感器的桥梁挠度识别技术研究,首先介绍了基于长标距应变的挠度计算方法及原理,通过室内简支钢梁静力试验验证了该方法的有效性与可靠性。然后将该方法推广应用于实桥上,采用长标距应变传感器对桥梁的动态应变响应进行实时监测,基于共轭梁算法实现结构动挠度反演,与封闭式连通管法监测的动挠度进行对比,结果表明该方法具有足够的精度,满足挠度测量需求,能够同时实现结构应变、主梁挠度两种结构安全关键参数的识别,一专多能,可在实际工程中进行推广应用,具有较高的应用价值。

一种新颖的长周期光纤光栅应变传感器

利用高频CO2脉冲激光刻写了两种不同的长周期光纤光栅,研究了涂覆层对刻写的长周期光纤光栅的轴向应变传感特性的影响。发现在0~0.5 mm距离内,带涂覆层的长周期光纤光栅的轴向应变灵敏度比剥去涂覆层时的灵敏度要高,可以达到-1.2921 nm/mε。实验结果表明:带涂覆层的长周期光纤光栅具有更高的应变灵敏度和高的机械强度,它更适合用在轴向应变的传感测量中。

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。

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。

光纤光栅传感器应变传递影响参数研究

当光纤光栅传感器埋设在结构中或粘贴于结构表面后,由于中间层的存在使结构的真实应变和光纤光栅传感器所测得的应变之间存在一个传递系数。在已有的应变传递理论的基础上,经过分析得出影响光纤光栅传感器应变传递的主要因素,它们是光纤光栅传感器的长度、中间层的厚度、弹性模量和泊松比。结果表明,光纤光栅传感器平均应变传递随着传感器长度的增加而升高,随着中间层厚度的增大而降低,随着中间层的弹性模量的增加而增大;中间层的泊松比对平均应变传递率的影响很小,在设计中可以忽略。

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。

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。

基于级联长周期光纤光栅的新颖温度传感器

设计了一种基于级联长周期光纤光栅(Long period fiber grating)的新颖温度传感器。理论上得 到光栅间光纤的长度随温度增加变化时,级联LPG的干涉峰将线性地向长波方向漂移,其消光比亦将呈现线 性变化。实验上制作出了基于级联LPG的光纤温度传感器。利用其某一干涉峰的中心波长和消光比测量温度 变化时,测量灵敏度分别为0．0353 nm／℃和0．0684 dB／℃。基于级联长周期光纤光栅的温度传感器具有广 泛的应用前景。

粘接层弹性模量对光纤Bragg光栅传感器应变传递性能的影响

考虑光纤Bragg光栅(FBG)粘接层的材料特性会直接影响FBG传感器的应变测量精度,本文根据粘接层应变传递模型,结合应变传递系数K的表达公式,在确定粘接层结构尺寸参数的前提下,仿真分析了粘接层弹性模量对应变传递系数K的影响。分析结果表明,金属材料的应变传递效率明显优于有机胶的应变传递效率。进行了传递效果评价对比试验,结果表明,铅粘接层的应变传递系数维持在0.98左右,环氧树脂粘接层的应变传递系数维持在0.90左右,前者比后者的应变传递效率提高了约8.9%,显示将粘接材料由环氧树脂改进为铅后,可大大提高应变测量的精度,更加充分发挥光纤器件自身优越的应变测量能力。

光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究

提出了一种改进的光纤光栅应变传感器结构,用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真,得到其应力分布和光栅区域的应变情况.在整体宽度与厚度相等的情况下,此结构的灵敏度约为传统"工"字型结构的600倍.进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响.筛选、设计并加工出不同尺寸的两种应变片,分别用UV胶与玻璃焊料对光栅进行封装,得到灵敏度分别为:249pm/N、330pm/N和1.1pm/N.比较分析表明,本文提供的分析方法与数据,可为不同工程应用场合的最优结构设计提供依据.

贴片式光纤Bragg光栅应变传感器

为解决因光纤的圆柱型结构所带来的粘贴问题,引入了粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器。该传感器被粘贴于可通过加载载荷的方式产生应变的等强度悬臂梁的表面,并用光谱仪获得了光纤Bragg光栅的反射谱。实验表明Bragg波长对荷载产生的波长偏移分别为0.901nm/μm和-0·902nm/μm.计算表明:Bragg波长偏移量的最大标准误差为0·003nm.结果表明该传感器可满足建筑工程结构检测中对测量精度要求。

工程化光纤光栅应变传感器的制作及其应用

分析了适用于动态应变测量的光纤光栅传感器所应满足的条件,并进行了相关实验。在实验的基础上,设计并制作了一种适用于工程化的光纤光栅动态应变传感器。对等强度水泥梁以及实际工程中的卢浦大桥等场合,用该光纤光栅应变传感器与传统的电阻应变片传感器进行了对比验证。实验结果表明。

一种封装的光纤Bragg光栅应变传感器

采用不锈钢管对光纤布喇格 (Bragg)光栅进行封装 ,封装后的光纤光栅作为应变传感器 ,灵敏系数为1 .1 9pm / με ,Bragg中心反射波长与应变呈良好的线性关系。传感器能够与被测结构紧密结合 ,保证应变的有效传递 ,便于安装 ,适于实际工程中的应用。