表面粘贴式光纤布拉格光栅应变传递规律分析与实验研究

粘贴于结构物表面测量应变,是光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的一种重要应用形式。在前人研究基础上,研究去除涂覆层的FBG的应变传递规律,并通过实验验证了理论分析结果。通过理论分析建立了纤芯层-粘结层-基体层的3层应变传递模型,运用仿真分析研究了粘结层剪切模量、光纤与基体之间的胶层厚度、光纤粘贴长度和宽度以及光纤上部胶层厚度对平均应变传递率的影响,分析了影响应变传递的主要因素,提出了增大应变传递率的方法,为表面粘贴式裸光纤光栅的应用提供了重要参考。实验中选用LOCTITE 401胶粘剂将裸光纤光栅粘贴于等强度梁上,通过应变测量实验验证了模型的准确性和有效性,实验中去除涂覆层的裸光纤光栅的平均应变传递率高达96%以上,与理论模型计算值相比误差在1%左右,很好地证明了裸光纤光栅用于应变测量的准确性和可行性。

模型相似材料内部应变光纤量测应变传递

应用光纤传感技术测量模型相似材料内部应变,必须解决光纤与相似材料耦合的问题。传统的研究中普遍存在应变传递理论分析结果无法通过试验检验的问题。设计实现了一种基于光纤-胶体-相似材料3层应变传递结构的光纤Bragg光栅(FBG)相似材料一维传感器。通过对该传感器应变传递特性和标定方法的研究探索解决光纤与相似材料耦合性的问题。该传感器采用无涂覆层的光纤Bragg光栅作为传感元件,将光纤埋入相似材料应变试件内部直接测量轴向中心应变。通过应变传递理论分析、数值模拟以及全新设计的标定试验研究3种方法研究了该相似材料光栅传感器的应变传递特性。平均应变传递率结果显示3种方法所得到的数值非常接近,表明该传感器的光纤、胶体、相似材料具有良好的耦合性以及应变测量的准确性。该方法为解决模型相似材料内部三维应变测量提供了可行方案。

不同表面粘贴方式对光纤光栅应变传递的影响

光纤布喇格光栅(FBG)具有体积小,精度高,耐腐蚀及不受电磁干扰等优点,在土木工程中运用广泛。但在实际监测中,需要通过胶接材料把光纤光栅与基体粘结,以达到测量的目的,不同的粘贴方式对应变的测量造成不同的影响。该文对比了光纤光栅不同表面粘贴方式的应变测量结果发现胶接层粘贴长度越长,应变测量结果与实际应变的误差就越小。

CFRP-钢组合梁剥离破坏FBG应变响应分析

通过碳纤维增强塑料(CFRP)-钢组合梁剥离破坏时的布喇格光栅(FBG)应变响应,分析了CFRP-钢组合梁剥离破坏的过程,研究了FBG应变测量在钢组合梁发生剥离破坏过程中所起的即时响应和预警作用。将光纤光栅粘贴在碳纤维板表面,监测钢组合梁加载过程中CFRP板应变,通过应变响应来判断CFRP板的剥离时刻。对于首先产生剥离破坏且不对钢组合梁受力特性产生较大影响的部位,使用光纤光栅监测,得到应变响应的预警时刻。结果表明,利用光纤光栅应变测量的实时性可起很好的监测、预警作用。

FBG应变测试技术在混凝土内爆炸试验中的应用

在混凝土的内爆炸试验中,利用光纤光栅(FBG)传感技术对混凝土表面应变进行测量,获得了内爆炸荷载作用下的混凝土表面应变历史曲线,并对这些曲线进行了初步分析。分析结果表明试验采用的测量方法可行,同时也验证了重力作用对爆炸荷载混凝土表面应变分布的影响,且捕捉到混凝土试件与实验坑的碰撞响应。

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。

冲击荷载作用下泄爆板破坏冲量计算与模拟

针对工业厂房中的泄爆板在爆炸荷载作用时的破坏问题,根据双向板塑性铰线破坏理论,对其破坏机理进行理论分析。提出了泄爆板的冲量破坏准则,并推导破坏冲量的计算公式;运用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,与理论结果进行对比,两者吻合较好,证明可以用冲量衡量泄爆板的破坏。分析了影响泄爆板泄爆能力的因素:抗折强度与板的厚度是主要影响因素,而弹性模量及泊松比对破坏冲量的影响相对较小,提出了工业生产中提升泄爆板泄爆能力的方法。

光纤光栅传感器在爆炸冲击测量中的应用

光纤光栅传感器(FBG)在侵彻及爆炸冲击测试技术中拥有广泛的应用前景。介绍了光纤光栅传感器的检测原理与关键技术,分析了光纤光栅传感器的动态响应时间及对于高频振动时的可测频率。与传统的爆炸冲击测量方法相比,光纤光栅传感器精度高,抗电磁干扰能力强,体积小,可实现分布式测量,在爆炸冲击领域拥有广泛的应用前景。限于光纤光栅解调技术即采样率发展的限制,光纤光栅传感器在爆炸冲击领域的应用处于起步阶段。介绍了光纤光栅传感器在霍普金森压杆上的应用。提出了当前急需解决的技术问题。

等强度梁表面应变分布光纤测量实验

基于光频域反射技术(OFDR)原理的分布式光纤测量技术,研究聚酰亚胺光纤在等强度梁表面不同布线方式下测量应变的准确性。聚酰亚胺光纤分别与梁的长度方向平行、垂直、呈45°角及绕成直径为φ50 mm的圆粘贴,测量梁表面应变分布,测量结果同时与应变片及理论值对比,研究光纤在非轴向应力作用和弯曲下的轴向应变分布测量结果,误差小于1%。实验结果表明,基于OFDR原理的光纤技术可实现结构表面应变分布式连续准确测量。

光纤传感技术在相似材料模型试验中的应用

为解决地下工程模型试验中应变无法量化分析的问题,以四川省九寨沟县青龙水电站引水隧洞为工程背景,设计并制作了隧洞模型试件,将分布式光纤和光栅传感器埋设于模型试件中进行隧洞模拟开挖试验,通过实验对比两种光纤传感技术,同时,探索出一种地质力学模型试验应变量测的可行方法,为研究地下工程的施工开挖及变形破坏提供参考。测量隧洞开挖前、开挖时、开挖后试件内部的应变,分析了其应变变化规律。实验结果表明,分布式光纤与光栅传感器测得应变值相近,说明了标定试验结果的准确性及分布式光纤在模型试验中的适用性,分布式光纤传感器能够真实地反应模型试件内光纤沿线的应变分布,及时准确地测量模型在加压作用和隧洞开挖过程中的应变分布情况。

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。

FBG-相似材料传感器埋入模型内部实验研究

针对模型实验内部关键点的应变测量,设计并制作了光栅-相似材料传感器,与传统的应变砖法中,将光栅粘贴在立方体试件表面相比,该文将光栅埋入相似材料立方体试件内部,以消除边界效应的影响。通过对比实验,研究去涂覆层光栅在相似材料中的布设工艺,为验证所设计传感器应用于模型实验内部应变测量的可靠性,基于圣维南定理,将传感器埋入一边长是其3倍大的相似材料试件中心,以此在模拟实验中有围压的条件及消除边界效应的影响,实验结果验证了测量结果的可靠性。

融合伪卫星和光纤传感器技术的渣土体水平位移实时监测

近年来,我国高速的城镇化带来了渣土围城的隐患,一些居民区附近出现几十甚至上百米高的结构松散且极不稳定的渣土山,随时可能发生垮塌和滑坡,亟需高精度的实时监测及预警。本文针对渣土体的内部—表面位移监测及滑坡预警的实际需求进行深入研究,完成了基于伪卫星系统的高精度表面位移监测和相应算法实现以及基于特制的光纤光栅传感器高精度内部位移监测,并进一步针对表面—深部位移实时监测的渣土体稳定性评估和灾害预警提出建设性意见。本文提出并实现的融合高精度伪卫星表面位移及光纤光栅深部位移监测的渣土体滑坡监测系统,可为进一步的渣土山处置提供重要的理论基础和数据支撑。

FBG传感技术在边坡稳定性监测中的应用

基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器技术,针对边坡开挖过程滑坡监测问题,通过在边坡布设的多个传感器组成的监测系统,测得实验过程中传感器表面应变的变化规律,实现对滑坡体内部位移的监测;运用K值标准差准则,将边坡失稳滑动规律定量化。实验结果表明,钢筋应变传感器测量的滑坡体内部位移变化与理论分析一致,表明钢筋传感器可实现对滑坡的准确监测;通过内部位移的微小变化的监测,可实现对边坡失稳进行预警。

胶粘剂对表贴式FBG传感器应变传递系数的影响

利用光纤光栅(FBG)传感器对基体表面应变进行测量,通常利用胶粘剂将光纤光栅传感器粘贴在基体表面,使其与基体协调变形。但胶粘剂在不同表面的粘接性能不同,对应变测量所造成的影响也就存在差异。针对这一问题,本文通过实验,简化应变传递模型,对比FBG传感器粘贴在等强度梁以及标准树脂试件的应变测量结果。结果表明:胶粘剂在基体表面的剪切强度越大,表面粘贴式FBG传感器的应变传递系数也越大。

分布式光纤传感器应变传递规律研究

基于光频域反射技术,建立一种应变传递模型,推导了光纤应变传递关系,分析了分布式光纤应变测量结果的影响因素。通过等强度梁弯曲实验,分别从粘贴长度和涂覆层剪切模量等方面研究了光纤传感器的测量结果。研究结果表明,粘贴长度越长,应变传递率越高,当粘贴长度达到一定值时,光纤中间区域的应变传递率为1,两端的逐渐减小,涂覆层和胶粘剂的剪切模量越高,应变传递率越大。工程应用中应选用剪切模量高的涂覆层光纤及胶粘剂,粘贴长度应大于需测量区域的长度。

预张拉光纤布拉格光栅应变传递规律实验研究

利用裸光纤布拉格光栅测量结构物表面应变,基于光纤层-胶结层-基体层的应变传递模型,从理论上分析了预张拉对应变传递率的影响,并通过实验进行了验证。利用预张拉光栅与未预张拉光栅同时测量了等强度梁正反两面的应变。实验中为排除黏贴长度及厚度的影响,采用LOCTITE点胶机控制滴胶量,得到应变随荷载变化的曲线,并与等强度梁理论应变值进行对比,得到应变传递率与荷载的关系曲线。结果表明,在测拉应变时,预张拉光栅的应变传递率高于未预张拉光栅的应变传递率,且两者都在96%以上;在测压应变时,预张拉光栅的应变传递率低于未预张拉光栅的应变传递率,且两者均在95%以上,与理论分析相符。这说明对测拉应变的实验,预张拉能提高应变传递率;而对测压应变的实验,预张拉会降低应变传递率。