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。

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。

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。

光纤光栅温度应力传感教学实验装置

针对目前市场上可直接用于光纤光栅传感实验教学的装置较少,前沿科研技术和本科实验教学相脱节现状,设计了基于光纤光栅的温度应力传感教学装置。该装置包括光纤激光器、光谱仪和上位机控制软件3部分。光纤激光器实现了1 550 nm左右的激光输出,利用光谱仪测量光纤光栅中心波长的改变,并采集数据输入计算机,上位机控制软件用于图形显示和数据存储等。该实验装置操作简单、组装灵活、重复性和稳定性好,可用于本科实验教学。将前沿科学技术引入本科实验教学,促进了科学研究与本科实验教学相融合,实现了科研教学水平的同步提高。

不同粘贴方式的光纤光栅压力传感器的研究

理论上分析了光纤光栅的压力传感特性,并采用纵向和横向方式将光纤光栅粘贴在自行设计、型号为ZXYCO1的平膜片上,并进行了加压和减压的高压实验。实验结果表明:纵向粘贴的光纤光栅压力灵敏度系数比横向粘贴的高几倍,其值分别为87pm/MPa和14pm/MPa左右,其测量精度分别为0. 2%F.S和1%F.S;光纤光栅的中心波长与压力变化有着良好的线性关系、重复性和较高的相关系数,适合于压力测量。

毛细铜管封装的内嵌式镀金光纤布拉格光栅温度和应力传感器

为了实现复杂、恶劣环境下工程机械表面无损的应力监测方式,实现对大型工程机械的实时动态监测,提出了基于磁控溅射技术的光纤布拉格光栅(FBG)应力传感器封装方法。并对完全嵌套(整个栅区嵌套毛细铜管)和两端嵌套(栅区两端嵌套毛细铜管)两种封装方法开展了研究。从理论分析和有限元仿真的角度比较了传感器的增敏效果,前后结果一致。制备了传感器实物并进行了温度、应力和对比实验。仿真实验结果表明,该模型下FBG传感器能提高约7.5%的灵敏度。温度实验表明第二种封装结构的温度反馈相关系数R2达到了0.99948,在30℃∼80℃范围内呈现良好的线性度;应力实验的相关系数R2也达到0.99924,灵敏度为6.14 pm/MPa,在该实验搭建的解调系统下精度达到0.05 MPa,可以快速、精确地解调应力。对比实验表明,光栅解调仪组成的监测系统比应变片组成的监测系统具有更高的精度,最大偏差值减小了59.8%。嵌套毛细铜管的金属化方式结合有机胶固定的封装结构简单、灵敏度和精度高,可以满足大型工程机械表面无损实时健康监测的需求。

嵌入式光纤光栅传感器应力传递规律研究

从力学的观点,将被测对象混凝土构件和埋入其中的光纤光栅传感器看成是一种复合材料或复合体,首次将剪滞法理论(shear lag theory)应用于分析光栅传感器埋入混凝土构件时的应力传递规律,得到了光栅传感器的应力传递公式和应力传递系数。利用得到的光栅传感器的应力传递公式,计算了混凝土实验构件的应力变化情况,实验证明,理论计算结果和实测数据基本吻合。

粘贴式光纤光栅传感器应变传递影响因素分析

本文建立了混凝土结构与粘贴式光纤光栅传感器应变传递简化模型,并推导了混凝土结构实际应变与粘贴式光纤光栅传感器所测应变之间的关系。对影响粘贴式光纤光栅传感器平均应变传递率的各种因素进行了计算分析,得到了粘贴式光纤光栅传感器平均应变传递率与应变传递影响因素之间的变化关系。

混凝土表面式光纤光栅传感器应力传递规律研究

主要研究一种混凝土表面式的光纤光栅传感器的工作特性,应用光纤光栅的传感特性实现了对钢筋混凝土试件内部应变的测量,试件不仅就应用光纤光栅进行混凝土结构内部应变测量的技术、工艺进行研究,还对光纤光栅传感器进行了重复性实验,验证了其具有良好的一致性。同时,还考察了光纤光栅传感器的温度补偿问题,试验结果表明该方法具有较高的实用性。

光纤光栅测应力传感器在结构工程中的应用研究

光纤光栅测应力传感器是一种新型的应力测量装置,具有高精度、实时监测和免疫电磁干扰等优势,已广泛应用于结构工程领域。本研究旨在探讨光纤光栅测应力传感器在结构工程中的应用。首先,介绍了光纤光栅传感技术的基本原理和结构特点。其次,分析了光纤光栅测应力传感器的工作原理及其测量应力的可行性。然后,通过对现有研究成果的综述,总结了光纤光栅测应力传感器在结构工程中的主要应用领域,如桥梁、建筑物和地下工程等。最后,讨论了光纤光栅测应力传感器在实际工程中的挑战和发展趋势,包括传感器安装和保护、数据处理和标定等方面。本研究为结构工程领域的工程师和研究人员提供了关于光纤光栅测应力传感器应用的综合了解,并为进一步研究和应用提供了参考依据。

采用光纤光栅传感器的输电线路铁塔应力监测方法

为防止输电塔塔体倾斜、变形,甚至出现倒塔等事故,提出了一种采用光纤光栅传感器的铁塔应力监测方法,首先利用ANSYS软件建立铁塔有限元模型,分析铁塔易故障点,在此基础上设计光纤光栅传感器,实时采集易故障点的应力信息,通过光纤复合架空地线(OPGW)将信息传送到变电站内的光纤光栅波长解调仪进行解调,然后监测主机对数据进行处理并通过光纤/局域网上传,最终利用监控中心的专家软件对铁塔应力进行整体分析,当铁塔外部载荷过大时提前预警。该方法已在110 k V实验线路安装试运行,监测数据显示,在持续风载荷作用下,可对铁塔的应力进行精确的监测,应力变化与风载变化基本相符。

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。

贴片式光纤Bragg光栅应变传感器

为解决因光纤的圆柱型结构所带来的粘贴问题,引入了粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器。该传感器被粘贴于可通过加载载荷的方式产生应变的等强度悬臂梁的表面,并用光谱仪获得了光纤Bragg光栅的反射谱。实验表明Bragg波长对荷载产生的波长偏移分别为0.901nm/μm和-0·902nm/μm.计算表明:Bragg波长偏移量的最大标准误差为0·003nm.结果表明该传感器可满足建筑工程结构检测中对测量精度要求。

埋入式封装的光纤光栅传感器应变传递分析

推导了布拉格光纤光栅传感器所测应变与实际结构应变的关系,得出了平均应变传递率并与实际试验结果进行比较.根据应变传递率确定了光纤的临界粘接长度,并推导了多层粘接时的应变传递情况,讨论了影响应变传递率的因素.结果表明,光纤光栅的粘贴长度必须大于临界粘贴长度,且光纤光栅传感器所测应变需要加以修正才能得到实际结构应变.

一种差动式光纤Bragg光栅渗压、温度双参量传感器

设计了一种差动式双光纤Bragg光栅渗压、温度双参量传感器。在渗压作用下,波纹管产生一个轴向位移,并传递给等强度悬臂梁的自由端,使等强度悬臂梁产生一个挠度变化,带动粘贴在悬臂梁上下表面的光纤Bragg光栅的中心波长发生移位。通过检测两只光纤Bragg光栅中心波长的差值来获得渗压;通过检测两只光纤Bragg光栅中心波长的平均值来获得环境温度。传感器测试表明,传感器对渗压的灵敏度为1.982 nm/MPa,线性度约为0.97%,重复性为1.5%;传感器对温度的灵敏度为0.009 5 nm/℃,线性度约为3.4%。该传感器利用差动结构并结合适当的数据处理实现了对渗压与温度的双参量检测。

光纤光栅三维应力传感器的设计与实现

以光纤光栅为敏感元件,设计并实现了一种基于圆柱结构的三维应力传感器.该传感器由三个光纤布喇格光栅等角度粘贴在圆柱体探头而实现.对这种三维传感器应用材料力学理论进行了传感原理的推导与分析,并进行了任意方向上应力大小的传感测量实验.实验表明:这种传感器可以准确测量三维空间任意方向的应力大小及方向,测量线性度高;在0-5N的测量范围内,误差不超过±1.58%,分辨率为9.2×10-3N.

温度和应力迟滞自补偿型光纤光栅传感器的研究

采用四对称悬臂梁与光纤布拉格光栅传感机构的组合设计，将2个相同反射波长的光纤光栅对称粘接于悬臂梁的上下表面，组成光栅串，实现对外压力的双光栅波长差的调谐方法。研究结果表明，该系统能自补偿光纤光栅压力传感系统的弹性迟滞影响，还能自补偿温度对光纤光栅压力传感的影响，解决了光纤光栅对压力和温度交叉敏感的问题，改善了传感系统的线性特性和重复性。在0～6MPa的测压范围内，双峰波长差的调谐范围为0—6．6nm，压力调谐双峰波长差的灵敏度可达1．12nm／MPa，在15—110℃测温范围内，温度调谐双峰波长的灵敏度可达0．028nm／℃。

表面式光纤光栅传感器应变传递研究

建立了表面式光纤光栅传感器力学模型;推导了表面式光纤光栅传感器感测应变与基体应变间的关系;仿真分析了衬底厚度和黏结长度对应变传递效果的影响;实验证明在黏结长度为40mm有衬底和无衬底及黏结长度为20mm有衬底三种情况下光纤光栅应变传感器的灵敏度系数分别为54.4pm/0.1mm,54.8pm/0.1mm,52.8pm/0.1mm。实验结果证明了理论推导和仿真分析,为传感器封装提供了指导。

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。

基于特殊悬臂梁的光纤Bragg光栅应力传感器

分析了悬臂梁的结构特性及引起Bragg反射中心波长变化的基本原理,设计了具有不同区域应力灵敏度的悬臂梁。利用悬臂梁不同区域光纤Bragg光栅(FBG)的Bragg反射中心波长差实现了一种简单方便的增敏方案。该方案利用这种特殊悬臂梁的自身结构可使测试灵敏度提高将近一倍,而且成功地解决了温度应力交叉敏感的测量难题,消除了温度变化引起的应力测量误差,实现了利用光纤Bragg光栅对应力单参量的测量。