Axial Micro-Strain Sensor Based on FM-FBG via Dual-Mode ML-FMF in Sensor Networks

An in-fiber axial micro-strain sensor based on a Few Mode Fiber Bragg Grating (FM-FBG) is proposed and experimentally characterized. This FM-FBG is in inscribed in a multi-layer few-mode fiber (ML-FMF), and could acquire the change of the axial strain along fibers, which depends on the transmission dips. On account of the distinct dual-mode property, a good stability of this sensor is realized. The two transmission dips could have the different sensing behaviors. Both the propagation characteristics and operation principle of such a sensor are demonstrated in detail. High sensitivity of the FM-FBG, ~4 pm/με and ~4.5 pm/με within the range of 0 με - 1456 με, is experimentally achieved. FM-FBGs could be easily scattered along one fiber. So this sensor may have a great potential of being used in sensor networks.

基于FBG传感器的卫星天线形变重构技术

针对由温度变化和外界机械载荷等因素引起的卫星天线结构形变重构需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的可视化形变重构技术。利用非金属封装材料和聚酰亚胺光纤光栅制备了FBG应变传感器和温度传感器进行应变与温度的测量,采用光纤传感解调系统实现结构的形变重构。搭建了变温环境天线结构模拟试件形变重构测试平台,采用激光测距仪完成对比测试。研究结果表明,通过相同工艺制备的FBG传感器具有很好的一致性,常温下FBG传感测量的误差小于5.94%,变温环境下的测量误差小于6.97%。重构后的曲面能够真实反映模拟试件的形变情况,验证了该系统的有效性。该技术在卫星天线结构形变重构领域中有良好的应用前景。

预应力锚固区FBG螺旋筋的研制

预应力锚固区的应力集中复杂,其承载和抗裂性能对预应力混凝土结构的安全耐久至关重要。针对锚固区应力应变检测难题,在其螺旋筋中径位置嵌入分布式的FBG,制备能可靠监测环向应变的FBG螺旋筋,并按国标GB/T 14370—2015对M15-9型锚具锚固区进行三组荷载传递试验。试验结果表明:FBG螺旋筋的全部测点均存活有效,能够全程跟踪锚固区应力变化;随着荷载的增加,其内部拉应变逐渐增大,在1.2倍极限荷载下实测出三个试件的螺旋筋实际最大拉应变分别为777.15、710.29、785.50με,其应力均未超过其材料屈服强度,螺旋筋尚处于弹性变形阶段。在0.6~0.8F_(ptk)加载过程中,试件侧表面开始出现竖向劈裂裂缝;1.0~1.2F_(ptk)加载过程中,首条裂缝均发展为主裂缝,同时加载端面出现斜裂缝,裂缝宽度最大值为0.15 mm,均满足规范要求。FBG螺旋筋应变传感器可为锚固区的服役期应力应变监测、预警及其设计方案提供一种有效手段。

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明:平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。

三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究

基于模型相似材料,研制了适用于模型试验的三向FBG(fiber Bragg grating,光纤光栅)应变传感器,克服了传统的光纤应变传感器力学干扰大等缺点,且简化了力学传递过程。采用有限元方法重点分析了胶体弹性模量对传感器力学传递特性的影响,试验中选择了弹性模量为300MPa的胶体,其应变传递系数为0.662,传感器的灵敏度为0.794pm.με-1。将该FBG应变传感器用于隧道开挖模型试验中,分别研究支护台阶法开挖、支护全断面开挖及无支护全断面开挖方式下的围岩应变分布状况。传感器监测结果表明,支护台阶法开挖围岩的稳定性较好。该试验为研究隧道不同开挖方式与支护方式提供了可靠的数据支撑。

FBG传感器在深基坑支撑应变监测中的应用

将光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于深基坑钢筋混凝土支撑应变监测,得到了基坑开挖时混凝土内支撑全程应变曲线。考虑温度对应变的影响,采取相应的温度补偿措施,提高了应变监测的精度,测试结果与振弦式钢筋计监测结果具有很好的一致性,表明FBG传感器用于基坑支护结构内力监测是可行的。监测结果显示混凝土内支撑上下部处于不同的受力状态,以往采用断面平均应力法计算支撑轴力是不合理的。

FBG应变传感器的动态特性及其应用范围

通过对应变波的传播过程分析,研究了FBG(F iber B ragg G rating)应变传感器的动态特性,给出了应变波传递到裸FBG上的滞后时间,估算了FBG应变传感器的最高工作频率,并将自行封装的FBG应变传感器粘贴于海底管线模型上进行了振动台试验,结果表明,FBG应变传感器适用于低频振动系统的监测需要,在对低频振动系统的监测中具有良好的工作性能。

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。

光纤FBG传感器实施大应变标定方法的探讨

针对钢管封装的大应变光纤光栅布拉格传感器的标定问题,设计了大应变试验加载平台,通过光纤光栅布拉格传感器对试验平台标定,确定了平台载荷与应变的比例系数K,按照等比加载实现了对光纤光栅布拉格传感器大于5000με的大应变标定。

FBG旁瓣对复用解调的影响及旁瓣抑制方法

为了解决光纤光栅传感器性能蜕化对复用解调结果的影响,基于光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的解调原理,分析了FBG光栅串联复用时反射谱旁瓣对解调结果的影响。通过理论推导及模拟仿真,发现FBG传感器性能蜕化时存在反射谱的带宽变大、峰值降低以及旁瓣增大等现象。分析了反射谱旁瓣以及链路连接损耗对FBG复用解调结果产生的影响,并针对这个问题,提出了利用浮动解调阈值以及抑制反射谱旁瓣的方法来减少解调结果的出错率。最后,实验证实了相关理论的正确性与方法的可行性,结果表明,利用本文提出的方法可将FBG复用解调结果的出错率由原来的11.36%降低为0,极大地提高了应变测量结果的准确性。

分布式长标距FBG传感技术在桥梁结构监测中的应用研究

为了在桥梁健康监测中准确获得结构变形,对基于分布式长标距光纤光栅(FBG)传感技术进行研究。该方法对FBG传感器进行二次开发,增长其测量标距,采用耐久、力学性能良好的封装材料对其进行封装;根据共轭梁法原理,利用FBG测量到的应变分布计算结构变形。在试验用混凝土"T"梁上安装标距长度为50cm的长标距FBG分布式传感器,并同时安装百分表实测挠度,两者测量结果表明:分布式长标距FBG传感技术可有效监测结构的受力和变形,与百分表所测到的挠度值误差在5%之内。

柔性基体材料封装FBG传感器的应变传递误差分析

由于力学理论和有限元仿真应用于道路结构的分析受材料参数与边界条件等因素影响较大,要获得其准确、真实的受力状态,需借助原位监测技术。然而,日益得到推广应用的高性能光纤光栅敏感元件因其传统的封装方式,无法在模量上匹配相对离散的道路结构测试。为此,本文以沥青路面结构为研究对象,提出了一种以纯沥青为光纤光栅外包层、以小粒径沥青混合料为封装层的柔性基体材料光纤光栅封装技术,建立了其变形作用机理的力学模型,从理论角度分析其应变传递机理,给出了相应的误差修正公式,并通过模型试验方式检验该传感器的感知性能及误差修正公式的适用性。研究结果表明:该种柔性原材料封装光纤传感器可用于沥青混合料的监测,且借助应变传递误差修正公式能较好地消除部分因素的影响,间接地保证了沥青路面结构真实变形的高精度还原,为路面结构监测技术的发展起到了积极的推进作用。

FBG传感器监测高性能混凝土早期特性的试验研究

高性能混凝土(HPC)因其较低的水胶比(水灰比)和矿物掺合料的使用,水化反应剧烈,在混凝土浇筑早期,将引起较大的自生收缩和温度变形。这将导致高性能混凝土早期裂缝的产生,继而影响其耐久性。因此HPC早期特性在建筑工程领域界备受关注。运用埋设型FBG光纤应变传感器研究高性能混凝土早期特性,该传感器克服了传统传感器只能在HPC硬化后采集数据的缺点,可在混凝土浇筑后立即采集数据,且数据采集连续,稳定。HPC早期性能的研究对HPC长期的耐久性,抗渗性的研究有重要意义。

FBG传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用研究

在应用新奥法进行隧道施工中,锚杆支护是重要支护形式之一,而如何监测该结构的应变特性是其中关键。提出了将FBG传感器应用于隧道锚杆支护结构的监测。现场试验表明:FBG传感器能够很好地实现对锚杆支护工程的监测。

隧道二次衬砌FBG智能监测与数值模拟

随着公路隧道向长大型方向发展,对其进行长期安全监测是十分重要的工作.光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为一种新型的光纤传感器,已被国内外应用于土木工程结构的状态监测和长期监测.在室内进行标定试验,研究FBG的传感特性,得出应变和温度灵敏度系数,证明FBG是一种理想的传感原件,并在某高速公路隧道进行应用.采用三维快速拉格朗日法,获得隧道二次衬砌中应力和位移分布规律,据此提出FBG传感器在隧道内的布设方法、串联粘贴方式及安装工艺;在不同时期对隧道8个断面进行应变监测,并与数值模拟结果对比分析表明,应变与应力和位移具有分布范围的均匀性和分布状态的一致性特点,进一步证明了监测结果的可信性;最后分析应变与降水量随时间的变化特征,评价了隧道的安全状况.

基于FBG传感器的三维空间应变监测

目的研究基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的三维空间应变监测方法,实现FBG传感器对测点三维空间应变状态的监测.方法根据空间直角坐标系建立立方体框架,在框架内特定的方向上布设6个FBG应变传感器与1个FBG温度传感器形成三维空间FBG传感体.在所有传感器协同工作下,对测点的三维空间应变与温度进行监测.结果给出了基于FBG传感器的三维空间主应变,最大切应变及任意方向正应变的计算方法,并且根据该计算方法在Lab VIEW平台下开发了三维空间应变监测与分析系统.结论根据本监测方法制作的三维空间FBG传感体可以应用在房屋、桥梁、道路、大坝、雕塑等结构的监测当中.该传感体与相应的解调设备和所研发的应变监测与分析系统构成了完整的三维空间应变监测体系.

表面粘贴式FBG传感器应变传递分析

6层光纤布拉格光栅传感器由光纤、保护层、粘结层、衬底、外粘结层、基体组成,基体与光纤不直接接触,所以测量精度取决于光纤和基体之间的粘结特性。提出基体到光纤应变传递的函数模型,然后利用有限单元法验证函数模型的正确性,最后,基于该函数讨论中间层参数对平均应变传递率的影响。文中的分析结果满足FBG传感器测量精度要求。

埋入式FBG混凝土应变传感器特性研究

光纤光栅传感技术在混凝土结构健康监测中具有广泛应用前景。研究了一种埋入式光纤光栅混凝土应变传感器,从力学角度理论分析了埋入式光纤光栅应变传感器的工作原理,并对传感器的结构和制作工艺上展开了详细的分析和有限元验证,并对传感器的性能进行了试验研究,试验结果表明:该结构的传感器具有较好的重复性、一致性和温度补偿特性。

置入FBG传感器的CFRP加固RC梁在线监测技术研究

近年来,复合材料加固混凝土结构的健康监测已引起国际工程界的广泛关注.使用埋入式布拉格光栅(FBG)传感器可以实现对复合材料加固混凝土结构应变使用状态的远程实时监测.作者首先讨论了FBG传感器埋入碳纤维复合材料(CFRP)层间的界面传递特性,通过实验验证了固化于CFRP中的FBG传感器的应变传感特性.FBG传感器被埋入到用来加固钢筋混凝土(RC)梁的CFRP层间和梁内部受拉钢筋上,通过监测FBG光栅传感器波长的变化就会得到测点的应变值.实验结果表明,FBG传感器测量值与相同位置布设的传统电阻应变片测量值具有很好的一致性,同时测量值与有限元模拟值也十分一致.

FBG传感器在机械静态连接状态检测技术研究中的应用

FBG传感器是一种极具发展潜力和应用价值的新型传感器,文中简要介绍了FBG应变传感器的传感原理和应变传递规律,并将FBG传感器在机械静态连接状态检测研究中得以实际应用。通过测量机械部件的应变值确定其不同的连接状态,通过分析机械连接系统在不同连接状态下特征频率的变化趋势,验证了机械连接系统特征频率与连接状态之间的关联性。