基于FBG连杆变形感知及三维重构方法研究

连杆作为柴油发动机的关键零部件,其变形直接影响动力装备的性能和寿命。因此,检测连杆变形对保证动力装备的使用寿命具有重要作用。文中提出基于光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)船用柴油机连杆的变形检测技术,根据有限元分析连杆变形特点,设计FBG栅点的传感网络,建立连杆受力变形下的三维重构模型,并开发基于FBG连杆变形检测的软硬件系统,实现连杆变形的可视化监测。实验结果表明采用基于FBG的感知和重构技术检测连杆的变形是可行的,为连杆性能的精确检测以及船舶动力装备其他关键件的变形检测提供了新思路。

护理干预在肛瘘合并糖尿病患者中对FBG、2hPG及满意度的影响分析

本次研究的目的是探究肛瘘合并糖尿病患者采用护理干预后对FBG、2h PG及满意度的影响。本研究的研究对象,选自来我院就诊并且确诊为肛瘘合并糖尿病的患者,选取其中的50例进行分组,共分为两组,每组25例。其中25例编入对照组,给予常规护理模式;另外25例编入观察组,给予优质护理模式。然后在此基础上展开了此次研究,通过对比分析不同护理模式干预前、干预后两组患者血糖水平、并发症发生情况、术后疼痛情况及护理满意度,得出采用优质护理模式的观察组与采用常规护理模式的对照组,相比具有显著优势,优质护理模式应该在临床推广使用。

基于埋入式FBG风力发电机桨叶复合材料监测

随着科技的进步,传统的表贴式光纤光栅已无法满足对风力发电机组监测的需求。因此,本文提出了一种基于埋入式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感网络的风力发电机桨叶碳纤维复合材料损伤监测方法。首先,通过创建碳纤维复合材料试验件的三维模型,并进行有限元仿真,确立了FBG的布点位置。然后,将FBG埋入试验件,并进行力学性能试验,以监测各传感点的应变数值和相关损伤情况。最后,对试验件进行超声波无损探伤验证。实验结果表明,埋入式FBG能够实时动态监测碳纤维复合材料内部的损伤情况,为风力发电机组的结构健康监测积累了经验。

基于正弦式波纹膜片的压差式FBG静力水准仪

为解决建筑物不均匀沉降长期、可靠监测的问题,基于连通器原理,推导了膜片半径r、刚度K、光纤自由段长度l、波长变化量Δλ_(B)等参数和沉降量的线性关系式。以此设计了带有正弦式波纹膜片的压差式光纤布拉格光栅(FBG)静力水准仪,并通过标定试验验证压差式FBG静力水准仪的传感性能。结果表明:此静力水准仪灵敏度不小于13.2 pm/mm,综合误差不大于3.26%,相关性系数均在0.99以上。该型静力水准仪传感性能满足工程结构沉降测量的要求,丰富了FBG静力水准仪的研究,具有理论和现实意义。

高强钢丝表面封装FBG传感器的温度响应研究

为解决桥梁缆索高强钢丝表面封装光纤光栅应变传感器(HSW-FBG传感器)的温度修正问题,建立HSWFBG传感器的温度响应模型并推导其温度灵敏度系数计算公式,基于正交试验设计并制作9根HSW-FBG传感器,通过水浴试验对传感器的温度响应进行了验证与分析。结果表明:FBG传感器在封装后其温度灵敏度系数出现了较大变化,通过水浴试验验证了HSW-FBG传感器的温度灵敏度系数计算公式的准确性;通过影响参数分析及极差分析,温度灵敏度系数的影响顺序由主到次依次为基体热应力系数、光纤初始波长、封装材料热应力系数、封装层横截面面积,其中基体材料对HSW-FBG传感器温度响应具有决定性作用。HSW-FBG传感器的温度响应研究结果将为其工程应用打下坚实的基础。

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。

基于悬挂式FBG的螺栓连接微小扭矩检测

将光纤布拉格光栅通过尾纤悬挂在带螺栓连接的结构件表面,使用结构动态检测法测试螺栓连接结构的扭矩。测试中,在待测结构件上产生周期性的振动,在振动的作用下尾纤中产生周期性应变,它作为波源在刻有布拉格光纤光栅的光纤中形成应力波,布拉格光纤光栅感知应力波形成测试信号。在识别过程中,首先使用经验模态分解方法对测试信号进行分解以去除不平稳分量及噪声,然后提取信号的有量纲和无量纲特征值,最后将这些特征值输入基于支持向量机的识别系统。结果表明,该方法识别正确率达97.2%,扭矩识别能力在N·cm量级。本研究开拓了一种新的螺栓连接状态的检测方法,尤其适用于小质量结构中微小扭矩的检测。

基于FBG的农业大棚土壤温度测量与研究

研究农业大棚土壤温度,对农业生产具有重要意义。针对传统热电偶等传感器测量土壤温度场存在效率低、误差大等问题,该文采用一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的温度传感器来监测农业大棚内的土壤温度变化。该方法将封装了FBG串的不锈钢管垂直埋入被测土壤中,采用可调谐激光器法和寻峰算法解调FBG串各传感器波长,在大棚环境下进行了土壤多层温度场测量实验。实验结果表明,土壤内部温度呈余弦函数模型周期性变化。随着土壤深度增加,温度变化逐渐减小,在一定的湿度范围内,土壤湿度越大,浅层土壤温度越低。土壤湿度对深层土壤温度影响较小,太阳辐射对浅层土壤温度影响较大。

双膜结构FBG土压力传感器优化设计及灵敏度分析

为实现桩基础结构安全及其服役状态的监测和有效评估,提出一种双膜结构土压力传感器,以光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)为传感元件,通过保护结构中增加的温度补偿膜,实现温度作用与外部荷载作用的彻底分离。基于双膜结构土压力传感器的工作原理,讨论了传感器压力灵敏度系数特性。结合有限元分析和实验研究,对灵敏度系数的影响参数展开了系统分析。数值分析结果表明,膜片厚度对压力敏感度系数的影响最大,结构半径和膜片厚度可选取为20 mm和1.8 mm;实验结果表明,在0-2 MPa范围内,压力灵敏度系数达3.32 pm/kPa。

表贴式矿用FBG传感器应力传感特性分析研究

本文重点对表贴式矿用光纤布拉格光栅(FBG)传感器应力传感特性进行了分析研究,针对表贴式FBG传感器应力传感特性受基体剪切模量进行系统性的分析,建立表贴式FBG应变三层结构理论分析模型,推导表贴式FBG的应变传递数学表达式,从基体的剪切模量角度分析矿用FBG传感器应力传感特性。通过试验分析总结,得出铜基体材料应变和波长线性关系最佳,可达99.89%,表贴式FBG基体剪切模量越大,应力与波长线性度越好,为矿用FBG传感器结构设计和灵敏度优化提供理论研究基础。

无封装FBG应变传感器在不同布设方式下的标定试验研究

【目的】光纤光栅(FBG)应变传感器作为一种新型测量应变的仪器逐渐运用到土木工程领域中,其能运用的关键在于传感器的布设以及根据不同的使用要求和环境对灵敏度系数进行标定。为了确定表面直接粘贴和开槽植入两种光纤光栅应变传感器布设方法的测量精度。【方法】提出了一种用于沉桩试验的无封装FBG灵敏度系数的标定方法,并通过采用圆形无缝钢管作为基体对两种布设方法进行标定试验研究。【结果】在逐级加载阶段,开圆形凹槽植入粘贴法所得到的标定系数比表面直接粘贴更小,而表面直接粘贴法更接近理论值,开槽植入和表面粘贴法所得到的标定系数与理论值相比最大误差分别为2.84%和0.33%;在逐级卸载阶段,两种布设方法光纤的中心波长存在一定的滞后,但标定系数与加载阶段相差不大。【结论】在FBG使用过程中需要根据试验环境情况以及在试验允许误差范围内选择合理的光纤光栅布设方案及标定方法。

基于FBG-3D打印的土工格栅加筋下伏土洞路基模型试验

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感技术具有高灵敏度、抗电磁干扰和实时监测等优点,在土木工程领域越来越受到关注,但传统的外部封装方式难以实现传感器与被测物体的完全协调变形,易导致测量误差.基于3D打印技术研发了一种自感知土工格栅,实现了光纤光栅传感器与被测土工格栅的完全协调变形,利用FBG传感技术直接实现对格栅应变的实时、准确测量.并且,将该自感知土工格栅应用于下伏土洞路基的模型试验中,研究在不同加筋层数和加筋间距下路基的极限承载力、顶端沉降及筋材的变形特性.试验结果表明,通过加筋可以大幅提高下伏土洞路基的极限承载力,并可有效减少路基破坏时的沉降;加筋层数的增加和加筋间距的减小均可以提高下伏土洞路基承载力;在垂直方向上,格栅的应变随着格栅的埋深增大而减小;在水平方向上,格栅的应变随着与加载中心之间的距离增大而向两侧递减;顶层格栅的应变随着加筋层数的增加而减小,随着加筋间距的减小而增大.试验结果验证了自感知土工格栅在下伏土洞加筋路基监测中应用的可行性.

准分布FBG钢绞线对混凝土梁预应力损失的监测

预应力损失是预应力构件设计及张拉施工的关键参数,同时也决定构件服役时的受力状态。然而,目前沿构件全长的预应力损失分布基本是依据理论公式和工程经验获得,难以通过实测求证。针对这一难题,提出将多点准分布FBG耦合于混凝土梁中预应力钢绞线中心丝的技术,并进行实验,以探求预应力损失影响规律及其沿构件全长的分布。实验结果表明:相比准确率低、失效概率大的应变片,多点准分布FBG存活率为100%,监测数据有良好的线性度,可实现预应力损失及其分布的监测。FBG对短期预应力损失的监测值与规范推荐的理论值变化规律一致:离张拉端距离越大,σ′l1越大而σ′l2越小,但监测数据整体比规范值少2%~10%。孔道形状对短期预应力损失影响较大,对长期预应力损失影响较小:直线孔道梁中短期预应力损失占总损失的40%~50%,短期损失率约为6%,曲线型孔道梁中其值分别为70%~73%及13%;直线孔道梁中长期预应力损失占总损失的50%~60%,长期损失率约为8%,而曲线型孔道梁中其值分别为27%~30%及6%。对总预应力损失而言,直线型孔道各测点其值小于曲线型孔道,前者总损失率约为14%,短期和长期预应力损失各半,而后者总损失率约为19%,并以短期预应力损失为主。通过多点准分布FBG对预应力损失监测试验,为预应力构件的设计、张拉施工及受力分析提供试验参考和技术支持。

LWT-FLP去噪算法在FBG传感器信号处理中的应用

为了提高传感器信号处理的精度,结合提升小波变换和前向线性预测算法优势,提出了一种应用于FBG传感器信号处理的LWT-FLP去噪算法。研究结果表明:信号经FBG处理后展现出显著的去噪效果,且与处理前具有相似的变化趋势,FBG传感器可代替标准电磁流量计使用,具有相同功能。LWT-FLP算法相比于G-FLP算法及FLP算法这两种传统算法,去噪效果更佳。加速度计输出信号经LWT-FLP算法去噪后,不论是方差还是均值相比原始结果下降幅度都很大。

基于FBG的35kV油浸式变压器绕组变形监测研究

为实现变压器绕组辐向变形的检测与定位,提出一种将准分布式光纤传感技术用于检测变压器绕组状态的方法。应用有限元法对单相绕组变形进行固体力学分析,仿真结果显示高压绕组在受不平衡应力发生鼓包形变后,绕组对底部层压板压力的分布也会发生相应变化,总结出了绕组发生不同类型形变后层压板的应力分布变化规律。提出将光纤应力传感器埋入层压板中进行压力检测,制作出光纤复合层压板,将一台35 kV单相连续绕组置于光纤复合层压板之上进行绕组变形试验,实现了对绕组变形的初步定位,验证了光纤复合层压板的实用性。

基于FBG阵列的光伏电池板表面温度场测量与研究

针对光伏电池板表面温度场检测问题,该文使用空分复用与波分复用相结合的技术,提出了一种基于FBG阵列的光伏电池板表面温度场测量系统。该系统可在复杂环境下实现对光伏电池板表面温度的实时多点监测。同时,实验研究了光伏电池板表面温度场变化规律与太阳辐射功率之间的关系。实验结果表明,光伏电池板表面温度、环境温度与太阳能辐射功率变化情况基本相同。正常工作的光伏电池正面温度略高于背面,发生热斑故障的光伏电池背面温度略高于正面温度。该系统提高了光伏组件温度的测量效率,也为其它领域的表面温度场测量提供了借鉴和参考。此外,依据实验所得数据,可进一步优化和改进光伏电池板冷却方式,对于改善发电性能具有重要意义。

“网络安全熵”在FBG网络安全风险预测中的应用

文章对于WSN网络安全预测算法做了对比和分析,针对在应用场合广泛的FBG网络中存在的安全风险预测问题,采用MATLAB软件重构FBG网络中信息传输风险的分布信息,利用“网络安全熵”算法进行安全风险预测的仿真计算。结果表明,在10~40m距离,FBG网络安全风险预测效果维持在90%以上高准确率;负载开销为仅196~461Hz,比较经济、节省;延迟最高只有2.9 s,网络实时性能更好;相对误差最高才2.59%,“网络安全熵”算法在FBG网络的安全风险预测上是有效可行的。

FBG在温度交变环境下温度灵敏度研究

为探求FBG在太空温度交变环境下是否可靠,建立了温度灵敏度试验系统。研究温度变化引起光纤光栅波长漂移与热膨胀系数之间的关系。首先,搭建光纤光栅温度敏感检测试验平台,通过改变环境温度获取FBG光谱并与理论漂移系数进行了对比,然后,建立温度与FBG主波长的线性与二次多项式拟合关系并选取SSE、RMSE、R-square三个指标对比两种拟合方法的优劣,最后分析了理论计算与试验计算结果差异的原因。试验结果表明,在温度设定的范围-60℃到110℃作为外层空间温度的模拟温度环境下,理论温度漂移值与实际值在不同光栅位置分别有7.4%、7.7%的误差,故FBG由于温度变化的主波长偏移用二次多项式拟合比理论相对线性拟合更精确。从而,利用FBG的机械参数来计算FBG的温度敏感系数是不合适的,具体的温度敏感系数需要通过试验来确定。

基于F-P标准具非线性波长校准的FBG传感系统解调方法

针对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)解调系统在变温环境下由于波长漂移引起的解调精度不足问题,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)标准具非线性波长漂移校准的FBG传感系统解调方法。研究建立了引入F-P标准具的FBG解调系统,设计了基于F-P标准具非线性误差补偿的波长校准流程,搭建了FBG解调系统在航空航天实际应用环境中的模拟实验系统,并在恒温及变温环境下进行了实验测试。实验结果表明,本文所提出方法在恒温及变温环境下的传感系统解调稳定性在±0.6 pm及±1.1 pm以内,且在变温环境下传感系统解调的波长漂移量从20.3 pm减小到0.7 pm。验证了解调方法的精度和稳定性,为航空航天等领域的结构健康监测提供了参考。

预埋FBG传感器的CFRP受电弓上框架成型工艺研究

本文设计了一种预埋FBG传感器的CFRP受电弓上框架,以某铝合金受电弓上框架的形状和结构尺寸为参考,CFRP受电弓上框架采用全碳纤维复合材料,在保证装配尺寸不变的前提下,对结构进行了优化设计。同时结合复合材料成型工艺的特点,对其进行了铺层设计和成型工艺研究。为获取CFRP受电弓上框架在服役过程中的层间应变信息,根据其设计结构及铺层方案,在制作过程中预埋一定数量的FBG传感器,确定了FBG传感器的布局方式。并对CFRP受电弓上框架预埋FBG传感器的预埋方式和光纤引出保护方式进行研究,选择用塑料套管对表面引出的光纤进行保护,防止光纤损坏。