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FBG传感器的卫星天线形变重构技术

针对由温度变化和外界机械载荷等因素引起的卫星天线结构形变重构需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的可视化形变重构技术。利用非金属封装材料和聚酰亚胺光纤光栅制备了FBG应变传感器和温度传感器进行应变与温度的测量,采用光纤传感解调系统实现结构的形变重构。搭建了变温环境天线结构模拟试件形变重构测试平台,采用激光测距仪完成对比测试。研究结果表明,通过相同工艺制备的FBG传感器具有很好的一致性,常温下FBG传感测量的误差小于5.94%,变温环境下的测量误差小于6.97%。重构后的曲面能够真实反映模拟试件的形变情况,验证了该系统的有效性。该技术在卫星天线结构形变重构领域中有良好的应用前景。

三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究

基于模型相似材料,研制了适用于模型试验的三向FBG(fiber Bragg grating,光纤光栅)应变传感器,克服了传统的光纤应变传感器力学干扰大等缺点,且简化了力学传递过程。采用有限元方法重点分析了胶体弹性模量对传感器力学传递特性的影响,试验中选择了弹性模量为300MPa的胶体,其应变传递系数为0.662,传感器的灵敏度为0.794pm.με-1。将该FBG应变传感器用于隧道开挖模型试验中,分别研究支护台阶法开挖、支护全断面开挖及无支护全断面开挖方式下的围岩应变分布状况。传感器监测结果表明,支护台阶法开挖围岩的稳定性较好。该试验为研究隧道不同开挖方式与支护方式提供了可靠的数据支撑。

FBG应变传感器的动态特性及其应用范围

通过对应变波的传播过程分析,研究了FBG(F iber B ragg G rating)应变传感器的动态特性,给出了应变波传递到裸FBG上的滞后时间,估算了FBG应变传感器的最高工作频率,并将自行封装的FBG应变传感器粘贴于海底管线模型上进行了振动台试验,结果表明,FBG应变传感器适用于低频振动系统的监测需要,在对低频振动系统的监测中具有良好的工作性能。

FBG传感器在深基坑支撑应变监测中的应用

将光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于深基坑钢筋混凝土支撑应变监测,得到了基坑开挖时混凝土内支撑全程应变曲线。考虑温度对应变的影响,采取相应的温度补偿措施,提高了应变监测的精度,测试结果与振弦式钢筋计监测结果具有很好的一致性,表明FBG传感器用于基坑支护结构内力监测是可行的。监测结果显示混凝土内支撑上下部处于不同的受力状态,以往采用断面平均应力法计算支撑轴力是不合理的。

柔性基体材料封装FBG传感器的应变传递误差分析

由于力学理论和有限元仿真应用于道路结构的分析受材料参数与边界条件等因素影响较大,要获得其准确、真实的受力状态,需借助原位监测技术。然而,日益得到推广应用的高性能光纤光栅敏感元件因其传统的封装方式,无法在模量上匹配相对离散的道路结构测试。为此,本文以沥青路面结构为研究对象,提出了一种以纯沥青为光纤光栅外包层、以小粒径沥青混合料为封装层的柔性基体材料光纤光栅封装技术,建立了其变形作用机理的力学模型,从理论角度分析其应变传递机理,给出了相应的误差修正公式,并通过模型试验方式检验该传感器的感知性能及误差修正公式的适用性。研究结果表明:该种柔性原材料封装光纤传感器可用于沥青混合料的监测,且借助应变传递误差修正公式能较好地消除部分因素的影响,间接地保证了沥青路面结构真实变形的高精度还原,为路面结构监测技术的发展起到了积极的推进作用。

基于FBG传感器的三维空间应变监测

目的研究基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的三维空间应变监测方法,实现FBG传感器对测点三维空间应变状态的监测.方法根据空间直角坐标系建立立方体框架,在框架内特定的方向上布设6个FBG应变传感器与1个FBG温度传感器形成三维空间FBG传感体.在所有传感器协同工作下,对测点的三维空间应变与温度进行监测.结果给出了基于FBG传感器的三维空间主应变,最大切应变及任意方向正应变的计算方法,并且根据该计算方法在Lab VIEW平台下开发了三维空间应变监测与分析系统.结论根据本监测方法制作的三维空间FBG传感体可以应用在房屋、桥梁、道路、大坝、雕塑等结构的监测当中.该传感体与相应的解调设备和所研发的应变监测与分析系统构成了完整的三维空间应变监测体系.

基于光纤和柔性传感器的固体火箭发动机结构监测技术研究

结构监测对于固体火箭发动机的结构可靠性有着重要意义。发动机界面的温度、应变和应力以及内孔表面的应变均是结构监测的重要参数。利用惰性推进剂圆管发动机,通过在衬层/推进剂和绝热层/衬层两个界面布设FBG光纤传感器和内腔粘贴柔性应变传感器实现发动机药柱结构监测,并通过温度循环载荷试验获得界面温度、轴向应变、环向应变和主应力以及内孔环向应变等数据,验证了结构监测技术的有效性和适用性。试验结果表明,两个界面的温度和轴向应变较为一致;绝热层/衬层界面的环向应变一致性明显优于衬层/推进剂界面,其原因在于传感器在前者中更易定位;基于直角应变花方式测得的界面主应力幅值约为0.007 4 MPa;2个柔性应变传感器测得的内孔环向应变较为一致,幅值分别为13.4%和13.8%,可用于大应变监测。研究结果可为发动机结构监测系统研制和导弹系统的可靠性提供技术参考。

非轴向力下粘贴式FBG传感器应变传递机制研究

研究了结构监测中粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器轴线方向与基体结构主应力方向成一定角度时,传感器测量的应变与基体结构实际应变的关系。建立了非轴向力作用下粘贴式FBG传感器应变传递方程和应变传递理论模型,并得到沿传感器标距各点的应变传递率、最大应变传递率和平均应变传递率。通过有限元仿真验证了理论模型的有效性,通过参数分析得到平均应变传递率随传感器角度变化的规律。研究结果表明:平均应变传递率随传感器角度的增大而减小,当传感器角度为零时,平均应变传递率最大,且方程形式与轴向力情况相同,因此推导所得的方程可归结为平均应变传递率的一般表达式;当传感器角度为90°时,平均应变传递率为零,此时传感器不能测出基体结构的应变。给出的理论模型及仿真结果对指导粘贴式FBG传感器在结构健康监测中的实际应用有参考价值。

一种无封装FBG应变传感器标定方法

对传统的应变标定方法进行了分析,发现其不适用于无封装光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变标定。提出了一种简易的无封装FBG传感器的应变灵敏度系数标定方法,通过理论分析,证明了该方法的可行性。选取能够覆盖解调仪解调范围的不同中心波长的无封装FBG传感器进行标定实验。计算了实验的A类不确定度、FBG传感器的线性度,并分析了标定结果与理论值存在差异的原因。实验结果表明,提出的方法在四支FBG传感器上均取得了3×10-3 pm/με以下的A类不确定度和0.5%以下的线性度。

基于FBG应变传感器的焊接接头疲劳试验

针对焊接接头疲劳实验中裂纹萌生阶段关键信息难以精准获取的问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器的试验方法。采用十字焊接接头开展疲劳试验,通过在薄板焊趾圆弧段凸顶点布置FBG应变传感器,获取应变时间历程,以应变范围斜率突变点作为裂纹萌生的时间点。疲劳断口与焊趾形貌的对照表明焊趾圆弧段凸顶点是裂纹的易萌生位置,应变测试结果表明,焊接接头疲劳试件的疲劳失效呈现为多裂纹形式,多裂纹的萌生时间不同步且裂纹尺度不同。相较于传统的检测手段,FBG应变传感器操作简便,抗干扰能力强,稳定性好,并能较有效地捕捉焊趾多裂纹的萌生行为。

基于FBG传感器的碳纤维复合材料内部热应变监测

将光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,简称＂FBG＂）传感器分别埋入单向板和平纹机织层压复合材料中,采用Sm125型光纤光栅解调仪测试两种复合材料在20～100℃温度范围内的内部热应变,分析单向板和平纹机织层压复合材料在仅受温度作用下内部热应变变化特征。结果表明,FBG传感器可以准确测量复合材料内部热应变变化;单向板和平纹机织层压复合材料的内部热应变均随温度升高而增大;织物结构影响复合材料内部热应变,且同一温度点,平纹机织层压复合材料内部热应变较单向板大。

通过光纤传感器和微型热电偶简单耦合方法测量内部平均应变和温度的变化来监测复合材料液体树脂灌注成型工艺

作为复合材料液态成型技术(LCM:Liquid Composites Moulding)中的一种,液体树脂灌注成型工艺(LRI:Liquid Resin Infusion)以其良好的发展前景已经越来越多地被先进复合材料制造产业所关注。为了提高对液体树脂灌注成型工艺的认知并从而达到对其良好的控制度,需要在实际制造工艺进行中监测其重要的制造参数,如纤维层的应变、树脂的流动情况等等。在对整体工艺过程产生尽可能小的影响和干扰的前提下,一种微型热电偶配合光纤传感器的简单耦合测量技术被用来在灌注过程中监测碳纤维层平均应变和树脂温度。碳纤维层平均应变的测量反映了液体树脂灌注成型工艺不同阶段下(浸润阶段、固化阶段、冷却阶段)碳纤维层特性的变化。另一方面树脂温度的监测不仅可以有效地估测液态树脂灌注时间而且可以观察到树脂流动前沿的特性。为了进一步验证碳纤维层平均应变这一间接测量结果,一种特殊的微型电子应变仪会同时应用到该实验中来。研究表明:液体树脂用550 s浸润完全整个纤维层,并且在该阶段整个纤维层一直处于压缩状态。在接下来的75 min中的树脂固化阶段纤维层压缩变形量达到了最大值。冷却阶段会释放出少部分的压缩应力,但还有一部分残余应力出现在成型件中。最终间接与直接的两种测量方法所得到的实验结果的比较与验证会更加完善对复合材料液态成型技术的研究。

粘贴式光纤光栅应变传感器的应变传递分析

通过分析光纤光栅传感器的原理,定义了应变传递系数,建立了粘贴式光纤光栅应变传感器5层有限元结构模型,通过计算机的仿真计算得到不同粘接剂、材料的弹性模量以及它们的厚度对应变传递系数的影响。

光纤布拉格光栅应变传感器的灵敏性及疲劳可靠性研究

分别采用金属和聚合物材料研究了封装材料对布拉格光纤光栅 (FBG)传感器灵敏性的影响 ,并通过加速疲劳实验对传感器安装工艺的疲劳可靠性进行了研究。结果表明 :焊接安装的金属封装FBG应变传感器具有良好的灵敏性及其长期稳定性 ,是海洋结构、桥梁等动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件。

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。

基于光纤光栅应变传感器的油气管道腐蚀监测

基于光纤光栅传感技术的优良特性,提出了一种通过应用光纤光栅传感器测量管道环向应变来探测管道腐蚀的新方法,该方法采用了一种新型的FBG应变传感器,与传统的FBG传感器相比具有测量整个环向应变、延长传感器使用寿命、与管道外壁贴合紧密、无需破坏管道、可重复使用等优点。介绍了基于新型FBG应变传感器的监测管道腐蚀的原理,将FBG应变传感器分别安装在PVC管道和钢管道上进行了验证性的试验,并用SAP2000进行模型的数值模拟分析。结果表明FBG应变传感器可以准确地监测到管道环向应变的变化,对由于不同腐蚀程度引起的环向应变非常敏感,FBG应变传感器在管道腐蚀监测领域有着广阔的应用前景。

置入FBG传感器的CFRP加固RC梁在线监测技术研究

近年来,复合材料加固混凝土结构的健康监测已引起国际工程界的广泛关注.使用埋入式布拉格光栅(FBG)传感器可以实现对复合材料加固混凝土结构应变使用状态的远程实时监测.作者首先讨论了FBG传感器埋入碳纤维复合材料(CFRP)层间的界面传递特性,通过实验验证了固化于CFRP中的FBG传感器的应变传感特性.FBG传感器被埋入到用来加固钢筋混凝土(RC)梁的CFRP层间和梁内部受拉钢筋上,通过监测FBG光栅传感器波长的变化就会得到测点的应变值.实验结果表明,FBG传感器测量值与相同位置布设的传统电阻应变片测量值具有很好的一致性,同时测量值与有限元模拟值也十分一致.

FBG传感器在机械静态连接状态检测技术研究中的应用

FBG传感器是一种极具发展潜力和应用价值的新型传感器,文中简要介绍了FBG应变传感器的传感原理和应变传递规律,并将FBG传感器在机械静态连接状态检测研究中得以实际应用。通过测量机械部件的应变值确定其不同的连接状态,通过分析机械连接系统在不同连接状态下特征频率的变化趋势,验证了机械连接系统特征频率与连接状态之间的关联性。

光纤光栅传感器温度与轴向应变灵敏度的研究

文章对 Bragg光纤光栅 ( FBG)与长周期光纤光栅 ( LPFG)的温度、应变传感灵敏度进行了详细的理论推导和分析 ,得出了一些重要推论 ,对光纤光栅在传感器领域中的应用具有一定的引导作用 .