温度补偿式光纤光栅土压力传感器

针对现有土压力传感器无法实现长期、实时监测的要求,设计了温度补偿式光纤光栅土压力传感器。选用有硬中心的平膜片作弹性元件,选用灵敏度高、体积小、质量轻、易于波分复用和组成传感网络的光纤光栅作敏感元件;同时采用了不受力光栅法进行了温度补偿。经实验测试,该传感器的灵敏度为1.5 nm/M Pa;线性度误差为0.35%;重复性为0.06%;迟滞为2.19%;静态误差为2.21%;这些指标能够满足实际工程应用要求。

温度精度补偿的光纤光栅土压力传感器

提出一种新颖的基于温度补偿的光纤光栅土压力传感器。该传感器结构具有平面膜片特点,带有预拉力的测压光栅两端固定于膜片内表面上,膜片在外界压力作用下产生向内的挠度,拉动测压光栅以实现压力传感。温补光栅单端固定,栅区呈自由状态,使之对外界压力不敏感,可以在测压过程中做到温度精确补偿。测压光栅采取与平面膜片两端粘接的固定方式,可以避免光栅波峰分裂的现象,又消除了力的中间传递,实现压力高精度测量。实验中,传感器在不同温度下所获得的压力值的范围小于0.4%FS;基于0.5 MPa的压力测量范围下,压力精度有0.38%FS。

基于光纤光栅压力传感器的桥梁斜拉索索力自校准监测技术

为实现桥梁斜拉索索力的长期、准确监测,文章提出了一种基于光纤光栅压力传感器的索力自校准监测技术。该技术在压力传感器实时监测斜拉索索力的同时,还对斜拉索的振动行为进行实时监测,根据后者的数据,按照频率法再次计算斜拉索的索力,对传感器监测值进行复核,以达到斜拉索索力自校准监测的目的。实例桥梁监测效果表明,这两种方法均可准确地获得斜拉索索力,两者的结果相对误差≤3.47%,且相对于桥梁第三期压重布置完成后各斜拉索理论索力值,压力传感器测试法和振动频率测试法计算出的平均索力值误差均≤0.83%。

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。

微型光纤光栅土压力传感器量程及其过载能力分析研究

为定量分析压力传感器的测量量程及其过载能力,提出一种微型光纤光栅土压力传感器并构建其气压标定系统。对微型光纤光栅土压力传感器进行理论分析得其灵敏度为7.5 nm/MPa,测量量程可达1.06 MPa。而分析光纤光栅土压力传感器性能测试数据得:该传感器压力灵敏度为5.9 nm/MP,线性度为99.93%,可测量实际量程为225 kPa,过载能力上限值为300 kPa。研究结果可用于指导设计规定量程的光纤光栅土压力传感器,具备一定应用价值。

双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器的研究

采用双膜油腔结构研制了一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器,偏压试验表明,此土压力传感器有效改善了与土压力传感器接触部分土压力分布不均的问题。在土压力的作用下,一次膜片变形产生的压力经传压油传递给二次膜片,传压杆与等强度悬臂梁刚性连接,二次膜片中心发生的挠度变化推动传压杆,使等强度悬臂梁的自由端发生同样大小的挠度变化。通过检测粘贴于等强度悬臂梁表面中心轴线上的光纤Bragg光栅的波长移位可获得土压力。载荷试验表明,传感器的灵敏度为412.7 pm/MPa,非线性误差为1.97%FS,重复性误差为3.68%FS。

适合于土压力测试的新型光纤光栅传感器性能研究

土压力测量是土力学研究要点,传统土压力传感器因不具备长期稳定、耐久性和抗电磁干扰等功能无法满足结构监测要求。光纤光栅,因有精度高、体积小、耐腐蚀等优点,被作为传感元件,设计了一种新型光纤光栅土压力传感器,理论分析其测压原理及可行性,并以实验方式对该传感器性能进行校核。研究表明:此光纤光栅土压力传感器的温度自补偿功能、线性度和重复性、总精度等都较好,满足工程需求,能用于岩土工程结构的长期健康监测。

温度自补偿型光纤Bragg光栅土压力传感器设计

针对传统土压力传感器长期稳定性差、抗电磁干扰能力不强以及组网难度大等问题,根据传感器与土介质的匹配原则,设计了一种光纤Bragg光栅（FBG）温度自补偿土压力传感器,可实现温度和土压力2个参量的同时测量.对传感器灵敏度系数、匹配性等参数进行了理论分析计算.根据分析结果,加工封装传感器并对其进行了压力校准和温度自补偿性能实验.实验表明：传感器的输出波长分别与温度和土压力均呈线性关系,压力灵敏度系数为272.19 pm/MPa,输出分辨率为0.36％,线性相关度为99.989％;温度灵敏度系数为21.16 pm/℃,线性相关度99.998％,在0～40℃范围内具有良好的温度自补偿能力,其性能参数符合工程应用要求.

焊接结构光纤Bragg光栅土压力传感器设计

针对传统土压力传感器长期稳定性差、抗电磁干扰能力不强以及组网难度大等问题,根据传感器与土介质的匹配原则,设计了一种焊接结构双膜片光纤Bragg光栅(FBG)温度自补偿土压力传感器,可实现温度和土压力2个参量的同时测量。传感器主要由2个膜片与基体组成,膜片与光栅固定柱一次成型,便于加工封装。对传感器灵敏度系数进行了计算分析。根据分析结果,加工封装传感器并对其进行了压力校准及温度自补偿性能实验。实验结果表明:传感器的输出波长分别与温度和压力呈线性关系,压力灵敏度系数为528.1pm/MPa,输出分辨率为0.19%,线性相关度99.988%;在5~45℃内温度灵敏度系数为31.9 pm/℃,线性相关度99.998%,传感器在5~45℃范围内具有良好的温度自补偿能力,其性能参数符合工程应用要求。

一种双面感压式光纤土压力传感器

针对现有的光纤光栅式土压力传感器易因光栅受力不均匀而导致光栅反射谱展宽甚至出现啁啾而降低测量精度等问题,基于菱形金属框架结构和金属化光纤光栅设计制作了一种双面感压式土压力传感器,将光纤光栅直接焊接固定在菱形金属结构对角线的两端,通过菱形金属结构将外界压力放大后作用于光栅两端,使得光栅栅区始终处于悬空且均匀受力状态,避免了光栅受力不均匀导致的光谱展宽及啁啾现象,采用焊接工艺避免了胶粘带来的蠕变、老化、失效等问题,保证了传感器较高的测量精度和较好的长期稳定性。理论分析和实验结果表明,研制的光纤式土压力传感器波长-压力灵敏度系数约为624 pm/MPa,量程为3.5 MPa。

新型光纤光栅压力传感器承压面厚度对比研究

光纤布拉格光栅(FBG)传感器最常用的封装材料是环氧树脂粘合剂,容易老化和失效,会影响传感器的性能和寿命。该文采用一种新型光纤光栅压力传感器,比较厚度分别为2.0 mm、3.0 mm、3.5mm及4.0 mm的6061 T6铝合金承压面对新型光纤光栅压力传感器标定的影响。由试验结果可知,新型光纤光栅土压力传感器承压面厚度为2.0 mm的标定结果最差,拟合线性度为0.991 94,传感器重复性较差;承压面厚度为3.5 mm的标定结果最好,拟合线性度为0.999 77,重复性最好且传感器灵敏度误差较小。该研究结果可以为后续新型光纤光栅压力传感器的生产设计提供参考。

光纤光栅传感技术的基坑压力传感器试验研究

随着建筑高度的增加,对基坑监测的技术手段提出了更高的要求,文章基于光纤光栅传感原理设计了弹簧-锥柱式光纤光栅压力传感器,并对其进行了压力传感试验,试验表明压力传感器线型拟合度好、反应灵敏、可用于基坑土压力及其他结构监测,为工程建设提供数据支持,可推广使用。

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FBG的高温压力传感器设计与校准

针对弹药热安全检测中压力检测的需求,设计了一种基于光纤光栅的高温压力传感器。通过深入研究传感构型的弹性形变对光纤光栅输出信号波长的影响和作用机制,设计了传感器封装模型结构,并对其内部参数进行了优化设计。应用有限元建立了传感器封装结构的三维立体模型,通过对模型施加10 MPa载荷,实现了模型的受压仿真,仿真结果验证了传感器压力转换结构设计的合理性。同时以薄板小挠度变形理论为基础,计算出传感器的理论压力灵敏度,设计了传感器的温度补偿方式,进行了不同温度环境下的压力校准实验,得出了传感器在不同温度的压力灵敏度变化趋势,证明了该传感器在100~450℃环境压力测量以及温度补偿方法的有效性。

应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

针对现有高温高压油井下对温度和压力的实时长期监测要求，设计了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统。根据传感器的使用环境，优选了恒弹性合金。采用优选后的恒弹性合金作为基底材料设计了圆筒与圆形膜片组合式传感器结构，圆形膜片是整体加工成型的。最后，对传感器进行相关实验测试。实验测试与误差分析结果显示，传感器实现了温度和压力的大量程测量，传感特性呈单值线性，温度补偿可一体化封装；温度线性检测区为0～350℃，温度灵敏度为0．0201nm／℃，温度测量静态误差为0．029％；压力线性检测区为0～60MPa，压力灵敏度为0．0136nm／MPa，压力测量静态误差为0.046％，这些指标能够满足实际工程的要求。

光纤光栅弹簧管压力传感器的压力和温度特性

本文利用弹簧管对于压力的机械放大作用，将弹簧管与光纤光栅悬臂梁调谐技术相结合，研制了一种新颖的光纤光栅弹簧管压力传感器，大大提高了光纤布喇格光栅对压力测量的灵敏度，压力灵敏度系数可达－１７９×１０－４／ＭＰａ，比裸光栅提高了两个数量级，在０～１２ＭＰａ的压力范围内，光纤布喇格光栅中心反射波长的改变与压力成良好的线性关系同时由于悬臂梁热膨胀效应的影响。

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。

光纤光栅压力传感器在斜拉索索力监测中的应用研究

提出了一种新颖的基于光纤 Bragg光栅的斜拉桥索力实时监测方法。随着外界应力的变化 ,光纤光栅的Bragg中心反射波长将发生相应的移动。利用此特性 ,通过对波长移动量 (Δλb)的解调 ,就可以测出索力的大小。实验结果与理论分析证明 ,该测试系统具有结构简单、测量范围大、稳定性和线性度好、灵敏度和信噪比高、对测试人员没有特殊要求等特点 ,该测量方法用于索力监测是可行的。

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器。作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决。传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在–30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.7208%FS,灵敏度漂移为+0.0104%FS,传感器温漂为+1.7312%FS。

温补型光纤Bragg光栅压力传感器在锚杆支护质量监测中的应用

为了改善现有光纤光栅压力传感器应变-温度交叉敏感的问题,基于光纤光栅传感原理及弹性膜片结构,设计了一种新型的温度补偿压力传感器。建立了膜片结构变形力学模型,推导出了光纤光栅中心波长漂移与压力之间的数学关系,建立了传感器灵敏度与膜片材料和结构尺寸参数之间的数学方程,Matlab数值分析了膜片参数对灵敏度的影响,利用有限元软件ABAQUS对膜片变形特征进行了仿真分析。传感器理论压力灵敏度为40.43 pm/MPa,标定实验的灵敏度为35.6 pm/MPa,经温度补偿后的实际灵敏度为37.62 pm/MPa,实现了压力测量中的温度补偿。测试结果表明该传感器具有良好的线性度、较低的啁啾性及较高的稳定性,现场应用结果证实了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的可行性,适合进一步推广应用。