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。

一种新型光纤光栅应变计的温度补偿方法研究

目的:为了降低光纤光栅应变传感器的温度影响程度,提高监测盾构隧道结构应变的准确性,需对该类传感器的温度补偿方法进行优化。方法:介绍了一种常用光纤光栅应变传感器的结构及工作原理,采用铝合金和铜2种已知热膨胀系数的材料作为传感器附着基底,开展了自由及约束状态下光纤光栅应变传感器的温度循环试验,基于测试结果,提出了在2种状态下的温度补偿方式,并对补偿后的可靠性进行了分析。将该类传感器应用于宁波轨道交通1号线天童庄出入段盾构隧道的管片应变监测,获取了温度影响下应变传感器的测试结果。结果及结论:相关试验及应用表明:在自由状态下应变计的温度系数近似等于光栅本身光学效应的温度系数加上温补光栅附着金属的膨胀系数。在约束下,应变光栅的温度系数近似等于光栅本身光学效应的温度系数加上待测基材的膨胀系数,该温度补偿方法能有效减少光纤光栅应变计进行温度补偿的误差,实际应用中得到了可靠的监测效果。

基于光纤光栅应变传感器的潜艇结构监测系统

对潜艇结构的实时监测能有效预防事故的发生。对基于光纤光栅应变传感器的潜艇结构监测系统进行研究,对系统的设计、具体的设计方案及工程应用中的关键问题进行论述,并提出了解决方案。通过应变传感器网络测试实验,得到相应的激励信号和功率谱。

基于光纤光栅应变传感器在斜拉桥健康监测系统中的应用

桥梁结构健康监测系统正处于高速发展阶段。主要阐述了传统的电类传感器监测与光纤光栅传感器区别及光纤光栅传感器的优点;光纤光栅传感器的应用领域等发展现状及其工作原理以及光纤光栅传感器在斜拉桥健康监测系统中的布点设计和应用结果。

光纤光栅应变特性及其在槽形梁试验量测中的应用

设计了一种等强度悬臂梁结构,将光纤光栅(FBG)粘贴于悬臂梁表面,研究光纤光栅波长与应变变化的关系,通过给等强度悬臂梁加载砝码,将光纤光栅传感器与电阻式应变片所测应变进行对比,结果表明光纤光栅具有良好的线性应变—波长特性。通过在光纤光栅上直接施加砝码研究了光纤光栅的应变量程及预拉力,在此基础上,研制了测试范围±2 000×10-6、分辨率1×10-6的钢筋式光纤光栅应变传感器,并在槽形梁受力性能试验中应用,与电阻式应变片的对比结果表明,光纤光栅传感器可以正确反映槽形梁在荷载作用下的受力状态。

一种钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器

为了提高光纤光栅应变传感器的应变响应灵敏度,提出了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器.根据材料弹性模量的相关理论,该封装采用钛合金(TC4)作为封装材料;根据力学传递原理,该封装采用类似杠铃状的结构设计.这种封装能够使应变有效地传递到传感器内的光纤光栅上,从而很好地测量应变.通过实验得到其应变响应灵敏度、反射波长与应变的相关系数.实验证明,采用这种封装设计的传感器能够获得较高的应变灵敏度,其反射波长和应变具有很好的相关性.

弹性体结构光纤光栅应变传感器的设计与性能研究

为提高光纤光栅传感器的精度和长期使用稳定度,在分析其应变响应机理和研究现状的基础上,设计基于应变弹性体封装的光纤光栅应变传感器,封装材料采用305不锈钢。力学传递原理和Ansys力学分析结果都表明:该传感器能够有效地通过弹性结构将应变传递到光纤光栅上。利用激光切割技术制作不锈钢光纤光栅传感器封装壳体,在-2 000~2 000με的测量范围内,实验测得其应变灵敏度为1.21pm/με、线性度达0.999 6、检测精度不大于1με、稳定度不大于±3με。

分体插接式光纤光栅应变片设计与实现

提出一种适合作为二次变换元件使用的通用型应变传感预制结构——光纤光栅应变片.它以裸Bragg光栅为研究对象,采用分体式设计方法把敏感光栅与连接光纤分别封装于独立的基体中,并通过两个基体相互之间的插入实现了Bragg光栅与测量光路的机械连接.理论分析和实验研究表明:光纤光栅应变片具有与Bragg光栅相同的反射谱,其测量线性度好,灵敏度高,温度误差则随被测试件性质不同而变化,当试件材料与基底材料一致时,温度误差可以忽略.

基于DSP的光纤光栅应变传感器信号检测实验研究

针对光纤光栅应变传感器接收信号弱且信噪比低这一问题,提出了应用DSP技术来抑制噪声,提高Bragg峰值波长检测精度的方法。实验结果表明所设计的498阶Kaiser窗低通FIR数字滤波器能够显著提高光纤光栅应变传感器的信号检测精度。采用DSP技术可以较好地解决光纤光栅传感器的波长解调这一技术难题。

用于路面结构监测的光纤光栅应变传感器试验研究

为了测量路面结构的应力与位移,设计了一种用于路面结构应变监测的光纤光栅应变传感器。首先将裸光栅粘贴于土工塑料格栅表面并进行了封装。利用土工格栅与沥青混合料变形的协调性,使光栅与格栅达到共同变性,从而可以对沥青路面结构层层底应变进行监测。封装成型后利用万能试验机对传感器进行张拉标定,光纤光栅传感器的灵敏系数标定结果为1.04 pm/με与裸光栅的灵敏系数相近,其性能可以满足道路监测需要。将标定过的传感器埋入AC-16沥青混凝土中,进行车辙试验,结合ABAQUS有限元仿真,验证了传感器的可靠性。试验结果表明,传感器性能良好,能够满足路面结构监测的使用要求。

光纤光栅应变传感器交叉敏感现象研究

光纤布喇格光栅的交叉敏感现象影响了光纤光栅应变传感器的检测精度。为了使光纤光栅应变传感器的检测精度提高,提出了采用遗传模拟退火算法改进BP神经网络的方法,来改善光纤光栅应变传感器的交叉敏感现象。通过仿真实验,验证了遗传模拟退火算法改进BP神经网络的方法能实现光纤光栅应变传感器交叉敏感信号中应变信号与温度信号的精确分离,使光纤光栅应变传感器的检测精度显著提高,同时抑制了光纤光栅应变传感器非线性特性的影响。

分体插接式光纤光栅应变片

光纤光栅应变片是一种新型的光纤光栅应力传感预制结构,它把布拉格光栅封装在光连接器内部以实现分体插接式结构,从而保证光纤光栅应变片在具有布拉格光栅体小质轻等优点的同时,还具有类似于光连接器的使用便利性,从而解决了光纤光栅传感器使用复杂,不宜用作二次变换元件的缺陷,扩大了光纤光栅传感器的使用范围。实验表明:光纤光栅应变片具有良好的线性输出和测量灵敏度,而且热输出小,是一种适合工程测试人员使用的通用型光纤光栅应力传感器。

基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机结构健康监测

港口起重机工作环境恶劣、使用频繁,且服役周期长,其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。为了掌握在役港口起重机运行时的健康状态,研究了基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机健康监测。采用具有温度补偿功能的反射式光纤光栅传感系统对港口起重机几种典型工况(变幅、旋转、吊重和卸载完整过程等)进行了实时在线监测。现场实测结果验证了该方法的可行性并突出了港口起重机结构状态检测的必要性,现场实测结果也为港口起重机的在线安全诊断和预测提供了数据支撑。

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.

光纤光栅应变传感器在地质灾害上的应用

根据光纤光栅传感的原理,提出了光纤光栅式封装应变传感器,对其传感特性进行了研究,并进行了室内实验。结合光栅传感监测滑坡的应用实例,探讨了光纤布拉格光栅传感元件在滑坡体上的布设工艺及监测过程。分析初期的监测结果,针对监测系统可能出现的问题提出了解决途径。

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏。该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅。建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析。由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.999 98。通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0~100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变。该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景。

温度自补偿光纤光栅应变传感器研制及其在索力测量中的应用

光纤光栅应变传感器在测量过程中存在温度和应变交叉影响的问题,且温度对应力测量结果影响较大。为获得精确的应力测量结果,必须大幅度减少或消除温度的影响。目前参考光栅法或温度测量系数修正法,难获得理想的结果。文中提出以截面对称的悬臂梁结构作为敏感元件,利用其上下表面拉压异号等应变和温度变化同应变的原理,通过在悬臂梁上下表面对称粘贴两根光纤光栅,利用结果差来消除温度影响,并提高测量灵敏度。文中对此种温度自补偿新型光纤光栅应变传感器的传感性能进行了研究,并将此类传感器安装在拉索的锚具上进行索力测量。研究结果表明:研制的光纤光栅应变传感器,能大幅度降低温度的影响,达到温度自补偿的目的;将此类传感器用于索力测量,具有较高的精度及灵敏度,能满足工程应用的实际需要。

基于光纤光栅应变传感器的液压驱动绞车缆绳张力监测

基于安装在绞车刹车带上的光纤光栅应变传感器,对液压驱动绞车马达进行加载,试验得出光纤光栅应变传感器的应变差与液压马达压差之间的数学关系。试验结果表明:光纤光栅应变传感器的应变差与液压马达压差呈现线性关系。该结论可应用于各类液压驱动绞车缆绳张力的监测。

表面焊接式光纤布喇格光栅应变传感器的疲劳性能研究

针对用于起重机械结构健康监测的光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器疲劳性能未知问题,采用动态载荷与静态拉伸相结合的试验方法,对起重机械钢结构疲劳损伤监测中的3种封装形式FBG应变传感器开展了疲劳性能研究,分析了反映传感器性能的灵敏度系数、带宽、边摸抑制比、峰谷比、零点波长、动态应变分别随疲劳次数增加时的变化情况。试验结果表明:3种封装方式的FBG应变传感器疲劳前后,在加载、卸载相同载荷时,灵敏度系数相差最大不超过0.1 pm/με,带宽均值为0.19~0.23 nm,峰谷比和边摸抑制比随疲劳次数的增加变化趋势相同,零点波长变化最大值为0.31 nm,动态应变符合二次指数函数分布特征。

光频域反射光纤光栅分布式应变传感研究

提出一种基于光频域反射(OFDR)原理的新型分布式光纤光栅应变传感系统,利用傅立叶变换法实现了光纤光栅的空域地址查询及波长解调。对20个全同弱反射率Bragg光栅应变传感系统进行了数值研究。研究结果表明该系统解调出的应变值与实际值吻合得比较好,可实现分布式应变的精确测量。