光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展

从传感器类型出发介绍了表贴式、纤维增强聚合物式、管式和内嵌式封装光纤布拉格光栅传感器的结构型式、实施方式和关键技术,简述了各种封装方式传感器的工作原理、技术研发及工程应用进展,总结了不同封装方式传感器的优势和不足。然后,简要介绍了光纤布拉格光栅传感器在桥梁结构状态监测或检测中的典型工程应用案例。最后,指出了光纤布拉格光栅传感器在土木工程领域中的工艺工法、耐久性和分布式测量以及未来推广应用有待解决的关键问题等,为光纤布拉格光栅传感器技术优化及其在土木工程中的推广应用提供参考。

光纤光栅索力传感器的酸碱耐久性

拉索作为斜拉桥的主要受力构件常处于复杂、恶劣的工作环境,传统的索力监测手段存在一定的局限性。将光纤光栅传感器内嵌封装进金属承压块上的凹槽,研制一种光纤光栅索力传感器,并对两种环氧树脂胶黏剂封装的光纤光栅索力传感器在酸碱腐蚀环境下的耐久性能进行研究,然后依托逆幂律模型与老化动力学理论,推导出传感器寿命预测方程。试验结果表明:该传感器的线性度和稳定性良好,传感器在腐蚀溶液中失效的主要原因是封装部位界相区胶黏剂受腐蚀剥落。A类传感器的耐酸碱性强于B类传感器,A类传感器在弱酸弱碱环境中的使用寿命均超过35年,大于斜拉桥拉索平均20年的换索年限,可以实现拉索全生命周期的监测。

压杆式光纤光栅位移传感器的研制

基于光纤弹性应变与圆柱螺旋压缩弹簧轴向变形的传递机理,提出了一种压杆式光纤光栅位移传感器。推导出波长漂移与压簧自由端位移的关系式,采取光纤光栅两端夹持的应变传递封装,结合压簧、弹簧管与紧定装置组成弹性转换结构,采用线径0.6 mm,中径6 mm,有效圈数14的压簧元件制备了传感器原型,并对其静态性能和温度响应特性进行了标定试验研究。结果表明:在15 mm的量程内,传感器的位移灵敏度为451.36 pm/mm,线性度为0.69%,重复性为1.54%,迟滞性为1.13%;应变、温补光栅的温度灵敏度分别为10.15,19.18 pm/℃,误差分别为1.39%,1.50%,具有良好的温度补偿效果。

新型工程化光纤光栅索力监测用传感器的研制

拉索是空间拉索结构的主承力构件,其拉索索力在施工及服役过程中的演化规律对于结构施工质量控制和服役安全具有重要意义.在分析和总结传统拉索索力监测方法适应性的基础上,针对拉索结构的实际特点,设计研发了一种满足工程应用要求的新型卡箍索力计,给出了详细的理论分析,并与传统卡箍在同一根拉索上进行对比试验验证新型卡箍的有效性和优越性.结果表明:新型卡箍安装方便,适用于工程应用的各个阶段;新型卡箍能够规避施工过程导致的拉索径缩和扭转效应,与拉力机获得的索力数据吻合度良好,相差小于5%,满足实际工程需要,具有广阔的应用前景.

锥形光纤光栅传感器的传感特性

为解决锥形光纤光栅的温度应力交叉敏感问题,本文提出一种对温度不敏感的反射波半峰值带宽进行编码的方法。由于锥形光纤光栅的反射波半峰值带宽仅随应力变化而不受温度影响,因此笔者利用这一特性进行编码,解决了交叉敏感问题。通过MATLAB仿真验证,与传统的利用波长编码(该波长对温度和应力均敏感)的方法相比,本文提出的方法仅须使用一根光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)便可实现温度和应力的同步测量,不仅结构简单,而且操作便捷。

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明:在0~360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。

一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套

由于远程操控的机械手具有灵活性大和环境适应性高的特点,在越来越多的特殊场合下,人类开始借助机械手完成任务。本文针对危险环境中机械手高精度远程操作的需求,提出了一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套。建立了手套中光纤光栅传感器的弯曲测量模型,发现光纤光栅的中心波长变化量与弯曲角度之间成正比关系。结合机械手舵机的控制,提出了利用光纤光栅传感器进行机械手远程操控方法,编写了上位机软件,实现了从光纤光栅中心波长到手指弯曲角度最后到机械手舵机控制编码的过程。完成了光纤光栅传感器的设计和封装,手套的四路探测光纤中共有12个栅区长度为10 mm的光纤光栅传感器,其中11个传感器被封装在人手关节的上方进行弯曲感知,1个光纤光栅温度传感器用于温度补偿,利用704硅橡胶对光纤光栅传感器进行封装。搭建了基于光纤光栅传感器的机械手远程操控系统,并对光纤光栅传感器进行了标定,实验结果表明在人手关节弯曲0°~90°的范围内,平均弯曲角度测量误差为1.147°,所有拟合直线的决定系数均大于0.993,最后设计了人机交互演示模块展示人手的运动。本文提出的基于光纤光栅传感器的手套具有小型化、高精度、抗电磁干扰的特点,在航天器在轨维修、远程医疗手术和高危排雷作业等方面具有潜在的应用前景。

铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器

针对振动传感器工作频段与灵敏度相互制约的问题,设计了一种基于铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器。将两个“工作区”与谐振峰互补的振动传感单元进行组合,在保证高灵敏度测量的同时,扩展了传感器的工作频率范围。首先建立了传感单元的结构模型,通过力矩平衡方程,得出了影响传感器灵敏度和固有频率的因素,然后使用Ansys与SolidWorks联合仿真,优化了传感器结构参数,最后制作了传感器实物,搭建封装和测试系统完成封装和特性测试。实验结果表明:两个传感单元的谐振峰位于650Hz和925Hz,分别与传感单元2和传感单元1的“工作区”互补,将工作频率范围扩展到0~1500Hz,灵敏度优于410.4pm/g,测量分辨率为0.16mg。文中所设计的传感器具有灵敏度高、工作频段宽等优点,为微振动监测提供新的技术手段。

光纤光栅干涉传感器位移测量误差高精度校准方法

在光纤光栅干涉传感器的位移测量中,受外界的振动或电磁等环境干扰因素的影响,对传感器的测量结果造成波动或误差。为了提高光纤光栅干涉传感器位移测量的效率,保证测量的准确性,提出光纤光栅干涉传感器位移测量误差高精度校准方法。通过分析光纤光栅干涉传感器的位移测量原理,获取位移测量数据;采用小波阈值方法,对位移测量数据去噪和平滑处理;利用反向传播(Back Propagation,BP)神经网络,对去噪后位移测量数据中误差数据高精度校准。实验结果表明,所提方法在降低误差校准计算复杂度的同时,能够有效提高误差校准精度、效率和运行稳定性。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

高抗噪光纤光栅波峰计数式位移传感器

针对三轴剪切仪中天然水合物地质储层侧向蠕变的位移监测需求,提出了一种高抗噪光纤光栅波峰计数式位移传感方案。具体方法是将光纤光栅一端与悬臂压片的自由端垂直固定,另一端施加预拉力后固定在外壳上。利用齿条和传动系统将地质储层侧向位移转变为齿轮的圆周旋转,在齿轮旋转过程中轮齿拨动悬臂压片自由端使光纤光栅产生周期性拉伸和复位,通过计算光纤光栅反射中心波长波峰跃变次数与标准步长的乘积,获得侧向位移。实验结果表明,位移传感器的量程为40 mm,分辨力达0.1 mm,误差仅为16μm,最小反射中心波长漂移量为1263 pm,考虑光纤抖动和解调仪误差后最小光信噪比达43.966 dB。在温度变化缓慢的条件下传感器不受温度影响,具有良好的重复性抗噪能力,能够满足天然气水合物地质储层侧向蠕变的监测需求。

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100~250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。

基于光纤光栅传感器的水下盾构隧道健康监测与安全评价

为保证水下盾构隧道在施工和运营过程中的结构安全性,依托江苏某过江隧道建设工程,选取最危险、薄弱的典型断面安装光纤光栅传感器,建立隧道结构健康监测系统,实时掌握水下盾构隧道受力变形规律,及时判断隧道结构健康状况。首先,该系统对采集的健康监测数据进行异常数据的识别、剔除和补全等预处理;然后,结合温度、土压力和渗压等外部因素对监测数据进行关联性分析,研究外部因素对隧道结构受力变形的影响规律;最后,以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对隧道结构安全性进行评价,并通过计算结构安全系数验证结构安全性评价结果。研究结果表明:1)拉依达准则和箱形图法能够有效识别异常数据,且识别的异常数据基本能通过估计邻域法的检验;2)对土压力和渗压分别与钢筋应力进行灰色关联分析,发现钢筋应力受土压力影响较大,管片变形受渗压作用更明显;3)以管片收敛变形和钢筋应力为评价指标,对单环监测断面进行安全性能评价,确定结构安全等级为1级,结构完好。通过钢筋应力推算结构弯矩和轴力,计算最危险管片结构安全系数为4.20,满足规范要求,安全评价结果准确,结构性能安全。

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%。

光纤光栅电流传感器三相电流均流控制仿真

受温度分布不均、元件参数不同等因素的影响,电力电子设备容易出现电流分配不均的现象,均流控制可在电路中均匀的完成电流分配,提高设备的安全性和稳定性,在此背景下,提出光纤光栅电流传感器均流控制方法。在并联变换器结构的基础上分析了不均流产生的原因,发现占空比会影响电流分配的均衡度;采用光纤光栅电流传感器采集三相电流,为后续占空比补偿量的计算提供依据;根据上述采集电流对平均电流和相重构电流展开计算,同时分析两者在采样周期内存在的关联关系,引入占空比补偿原理,结合分析结果计算三相占空比补偿量,以此对不均流现象展开补偿,实现均流控制。仿真结果表明,所提方法具有良好的均流控制效果和精度。

面向低频振动测量的双光纤光栅加速度传感器研究

低频振动测量对地震海啸等灾害预警、地质勘探和能源开发等领域具有重要意义。针对现有FBG加速度传感器测量低频振动时灵敏度较低的问题,提出一种高灵敏度低频双FBG加速度传感器。采用十字簧片作为拾振结构,理论分析传感器的振动响应特性,给出传感器的谐振频率和灵敏度公式。建立传感单元的数学模型,对传感单元结构参数进行优化,并利用有限元仿真验证理论分析结果,最后制作传感器实物并对其进行性能测试。结果表明,传感器固有频率为65 Hz,在3~45 Hz频段具有平坦的灵敏度响应,动态范围为73 dB@10 Hz,灵敏度为1498.29 pm/g,线性度为0.9998,横向串扰为–33.99 dB,能够满足工程中低频振动检测的要求。

光纤光栅传感器工作原理及其应用

光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)技术作为一种先进的传感技术,已广泛应用于各个领域。与传统传感器相比,光纤光栅具有灵敏度高、实时性强、抗干扰能力强、寿命长、体积小、应用范围广等独特优势。这些特性使得光纤光栅能够满足现代电子电路高集成度的特点以及新型传感器的设计理念和应用要求。

基于光纤布拉格光栅多维力触觉传感器的研究

为了帮助机器人感知与外界环境和对象的相互作用情况并及时作出判断和反馈,研究并制作了一种基于光纤光栅测量三维力的触觉传感器,用于机器人外表面的受力检测。该传感器主要由一个十字型弹性体和一根串联了5段不同中心波长的光栅组成。首先利用SolidWorks软件进行有限元仿真分析,研究弹性体接受外部水平力和垂直力时各部分的应变特性,然后依据其应变特性,确定各个FBG在弹性体上的最佳粘接位置,以达到最高的灵敏度;其次,对弹性体的不同位置施加应力,确定最佳施加力的位置;最后通过处理五个FBG的波长变化,测量来自X、Y、Z方向的三维力灵敏度。通过实验测试分析,该传感器具有良好的应力传感灵敏度。

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。

基于光纤光栅传感器的游乐设施框架结构应变智能监测方法

游乐设施在运行中易受外界环境干扰,导致其应变力信号波动幅度较小。因此,文章设计一种基于光纤光栅传感器的游乐设施框架结构应变智能监测方法。该方法利用光纤光栅传感器的高灵敏度和稳定性,能够精准采集游乐设施框架结构的应变数据。在设置监测约束条件时,文章充分考虑应变监测的目标函数,通过提取应变幅值、应变速率等关键特征,实时掌握结构在受力作用下的变形情况。一旦发现应变数据超过预设的安全阈值,系统会立即发出预警信号,提醒管理人员迅速采取措施。实验结果表明,在200~300 mm和400~500 mm的关键测试点位,该智能监测方法监测到的应变力信号波动幅度显著,且与实际信号变化情况高度一致,显示出优异的监测效果和极高的准确性。