无封装光纤光栅应变传感器校准系统研究

为校准无封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)应变传感器,设计了一套高精度的光纤光栅应变传感器校准系统,系统主要由一套高定位精度的水平位移装置和激光干涉仪组成。对FBGS-S02型的无封装FBG应变传感器进行校准测试,校准结果的最大误差为-0.2με,满足该传感器±2με的误差要求。

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。

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。

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。

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。

基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究

针对低温结构应变难以精确可靠测量的问题,采用两端粘贴工艺制备了耐低温胶封装FBG应变传感器并通过低温单轴拉伸试验研究了其应变响应特性,理论推导了考虑光纤热光系数的温度补偿算法并通过低温温度响应试验分析了其准确性,最后应用于LNG球阀球体低温应变测量。封装工艺不改变FBG反射光谱形状,低温下传感器呈良好线性、重复性和稳定性,温度补偿算法有效提高了温度变化引起的应变测量精度,实现了低至液氮温区的球体应变监测。研究表明,耐低温胶封装FBG应变传感器结合考虑热光系数的温度补偿算法为LNG球阀等低温结构的应变测量提供了一种有效方法。

基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。

铜片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究

提出了一种光纤光栅的铜片封装工艺,并通过实验和理论分析研究了光纤光栅的应变和温度传感特性.与裸光纤光栅的测试结果相比,铜片封装工艺基本不改变光纤光栅应变传感的灵敏度,但是温度灵敏度系数提高了2.78倍.经过铜片封装后的光纤光栅可以探测到的应变和温度分别为1με和0.03℃,便于工程应用.

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。

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。

一种封装的光纤Bragg光栅应变传感器

采用不锈钢管对光纤布喇格 (Bragg)光栅进行封装 ,封装后的光纤光栅作为应变传感器 ,灵敏系数为1 .1 9pm / με ,Bragg中心反射波长与应变呈良好的线性关系。传感器能够与被测结构紧密结合 ,保证应变的有效传递 ,便于安装 ,适于实际工程中的应用。

光纤光栅应变传感器预紧封装及传感特性研究

介绍了一种具有预紧力的基片式光纤光栅应变传感器封装方法,并根据Ansys建模及实验对其传感性能进行研究。使用宽10 mm,长22 mm,厚1 mm的铝合金7075-T6材质基片对光纤光栅进行预紧封装,所得带预紧封装传感器灵敏系数为1.05 pm/με,线性度达到0.99以上。表明预紧封装基片式光纤光栅应变传感器具有良好的线性度和应变测试灵敏度,对光纤光栅传感器封装工艺有指导作用。

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.

具有增敏效果的光纤光栅应变传感器的预紧封装及传感特性

为了提高光纤光栅测量应变的精度,在对光纤光栅传感器基底形状进行有限元分析的基础上,设计出了一种具有增敏效果的预紧封装光纤光栅应变传感器,并采用等强度梁对具有增敏效果的基片式光纤光栅传感器进行了测试和标定,得到传感器灵敏度为0.857pm/με,是普通基片式光纤光栅传感器灵敏度的1.18倍。在MTS试验机上进行寿命试验,经10000次重复拉伸疲劳试验后,光纤光栅传感器的光谱并未出现双峰等现象,也没有发生蠕变,抗疲劳性能良好。

基于光纤光栅毛细钢管电镀封装结构的温度传感特性研究

采用毛细钢管对布拉格光纤光栅(FBG)封装有保护和温度增敏的效果。FBG和毛细钢管之间一般采用环氧胶连接,这会影响传感器的灵敏性和可靠性。为此,提出了一种基于磁控溅射和电镀相结合的毛细钢管封装工艺。首先在裸FBG上磁控溅射镍金属导电层,然后用电镀工艺将光纤和毛细钢管的两端固定连接。电镀连接层表面光滑,没有明显缺陷。相较于胶粘封装,使用电镀封装的FBG温度传感器在25~95℃的温度范围内具有优异的线性度。封装结构的温度传感灵敏度是裸FBG的2.63倍。结果表明,毛细钢管电镀封装结构不仅可以提高温度传感灵敏度,还能在高温下具有稳定的传感性能。

3D打印封装光纤光栅传感器应变传递机理研究

采用3D打印方法开发光纤光栅应变传感器,建立裸光纤光栅传感器、3D打印封装层、被测基体三者之间的应变耦合传递的分离式模型,推导光纤光栅传感器与被测基体的应变传递关系,分析夹持式3D打印光纤光栅应变传感器应变传递率的影响因素,包括封装层弹性模量、封装层厚度、黏结长度。研究结果表明平均应变传递率与封装层弹性模量和黏结长度呈正相关,与封装层厚度呈负相关。研究成果对夹持式光纤光栅应变测量、误差修正和传感器设计,以及3D打印技术封装光纤布拉格光栅的可行性具有参考意义。

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.

GMM-FBG电流传感器应变传递模型与胶结层优化研究

为了提升GMM-FBG电流传感器的应变传感耦合特性,通过优化GMM和FBG的胶结层几何参数,有效提升传感器输出幅值。首先建立GMM-FBG电流传感器光纤层-涂覆层-胶结层-基体四层结构的应变传递模型,得到了光纤层与基体层之间平均应变传递率与胶结层基本参数之间的关系。并且通过有限元仿真验证了应变传递模型的准确性。以优化提升传感器的平均应变传递率为目的,对胶结层的长度、宽度、上下半部厚度、弹性模量和泊松比等参数进行了优化。结果显示优化后传感器的应变传递率得到有效提高,可使电流传感器的输出幅值增大。

无胶化封装的光纤Bragg光栅高温应变传感器及其特性研究

提出了一种全新的具有极好温度自校正能力的光纤Bragg光栅高温应变传感器结构,并提供一种新的封装方式能够实现在250℃高温环境下应变的高精度测量并且具有极好的稳定性和重复性,可应用于250℃左右的环境下大型机械等接触式高精度应变测量,另外该结构简单能够实现量产,对高温环境下的工程应用具有很好的实用价值。通过实验获得传感器在250℃左右的应变测量灵敏度约为369.4 pm/N,线性度为R2=0.999 2。