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。

低温敏FBG应变传感器在静压PHC管桩贯入实验中的应用

与普通光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器相比,低温敏FBG应变传感器对温度灵敏性低、对应变灵敏性高。故将低温敏FBG应变传感器应用于静压PHC管桩贯入过程中,监测了PHC管桩静压贯入过程中的桩身应力、桩端阻力和桩侧摩阻力的变化。实验结果表明:低温敏FBG应变传感器可以较好地对静压PHC管桩贯入过程进行监测,为静压PHC管桩贯入过程监测及分析提供了新的测试器件。

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。

光纤光栅应变传感器温度补偿系统研究

提出了采用BP神经网络算法来实现FBG应变传感器的温度补偿系统,用以改善FBG应变传感器的温度交叉敏感现象。通过计算机程序和实验表明,此方法实现了FBG应变传感器对应变量和温度量的精确分离,较好地改善了温度对传感器造成的非线性干扰,使传感器对应变的测量误差达到10-3数量级。同时,有效地抑制了FBG应变传感器非线性特性的影响。

表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递机理分析与实验研究

金属基底封装的光纤光栅应变传感器具有线性度高、重复性好、易标定等特点,在应用中由于光纤与基体不直接接触,测量的精度取决于粘结胶的特性。在分析FBG应变感知机理的基础上,基于力学仿真设计了金属基底结构,并建立了包含光纤光栅-壳体-粘胶层-基体的四层应变传递仿真模型,制作并利用悬臂梁进行了应变测试,取得了良好的实验结果且与仿真计算误差在0.5%以内。

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。

基于FBG应变测量的古建筑木梁变形监测方法

针对传统测量方法在古建木梁实际变形监测中存在的不足,本文基于光纤布拉格光栅(FBG)应变测量技术结合构造函数法提出一种古建筑木梁挠度变形监测的新方法。该方法考虑了木梁两端榫卯连接半刚性支座、支座沉降和原木梁截面不规则三个因素,推导了应变测量结合构造函数法的古建木梁挠度计算公式;建立有限元仿真模型,得到所提方法在木梁监测中的最优传感器布设数量,并探讨了在实际工程中的适用范围;通过对木构架梁进行了静力加载试验来验证该方法的有效性,并分析支座沉降与截面不规则对挠度变形的影响程度。研究结果表明,本文所提的方法适用于半刚性支座的木梁,能够消除支座沉降与截面不规则的影响;该方法适合用于跨高比大于20的在役古建筑木梁挠度监测,仅需在5个位置布设FBG应变传感器即可满足精度的要求;支座沉降相对于截面不规则而言,其对挠度变形影响较大,且影响程度与加载模式无关。

FBG传感技术在油气开发工程中的应用

在石油和天然气的勘探和开采的过程中,需要对井下和输油管线中诸多应变参数进行检测,传统的电类应变传感器无法适应油气井中的复杂环境,更无法在输油管道中长期精确地测量高温高压等应变参数,而光纤光栅(FBG)应变传感器具有耐高温、耐高压、耐腐蚀和寿命长等优点,可以应用在油气井下和输油管道中进行应变参数的测量,这样就解决了高温高压环境下油气井中和输油管道中的各种应变参数的检测精度问题,同时可以保障油气勘探开采的顺利进行,本文介绍了光纤光栅(FBG)应变传感器的发展现状,光纤光栅(FBG)应变传感器相较于传统电类传感器的优势,以及新型光纤光栅(FBG)应变传感器的工作原理。并分析了输油管道中各种应变参数监测现存问题,同时提出了解决方案,为光纤光栅(FBG)应变传感技术应用于油气井下应变量的检测提供了参考价值。

考虑焊趾形貌的T形焊接接头三点弯疲劳试验

针对弯曲载荷作用下焊趾疲劳裂纹的萌生与扩展问题,考虑焊趾形貌的影响,开展了T形焊接接头的三点弯疲劳试验。试验前,观察和测量试件双侧焊趾的形貌,得到系列形貌不规则的特征点,通过在部分特征点设置FBG应变传感器测量焊趾局部的应变时间变化。施加了2级载荷谱块的循环载荷,在疲劳断口获得了清晰的海滩条带,结合断口形貌和焊趾形貌对焊趾裂纹的萌生和扩展行为进行了分析。结果表明,受弯焊接接头更易在焊趾形貌更恶劣的一侧萌生裂纹,且复杂的焊趾形貌容易导致多裂纹的产生,多裂纹的萌生位置与焊趾形貌特征点有较强的对应关系。

光纤光栅传感技术在GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验中的应用

光纤测试技术是将光纤布拉格光栅(FBG)传感器用光纤连成一串,通过构建多点光栅测试系统实现传感,它具有精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高和连续数据采集等特点。将光纤光栅传感技术应用到原型玻璃纤维增强复合材料(GFRP)抗浮锚杆受力测试中,同步测试了锚杆杆体-锚固体界面、锚固体-周围岩土体界面以及锚固体内的应变,实现GFRP抗浮锚杆多界面全长受力测试。测试结果表明,光纤光栅传感技术能准确记录拉拔过程中GFRP抗浮锚杆各界面的应变变化,揭示锚杆杆体-锚固体界面、锚固体内、锚固体-周围岩土体界面的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布规律,但不同界面处荷载的传递深度和剪应力沿深度的影响范围有所差异。该测试技术和传感器埋设工艺有众多优势,在岩土工程科学研究与工程应用领域具有广阔的前景。

差异沉降对拓宽路面结构影响机制研究

本文以高速公路拓宽工程为研究背景,借助大型地基沉降模拟试验平台,采用FBG应变传感网络系统,开展了几何相似比为1:2的大比尺模型试验,研究了路面加载条件下新、老路基差异沉降对路面结构层的影响机制问题。试验结果表明:新、老路基过大差异沉降,拓宽路面结构层随着路面荷载的反复作用,路面结构层顶部处于拉压应变的交替变化中,正是这种交替变化带来了路面的疲劳破坏。在新、老路基交界处铺设土工格栅能一定程度的消解新老路基间的不均匀沉降,进而能够一定程度的缓解差异沉降对路面结构应变的影响,但是这种缓解程度较为有限。

压裂过程中水力裂缝动态宽度实验研究

裂缝宽度及其变化规律对验证水力压裂模型及指导压裂施工设计具有重要意义。由于水力裂缝宽度比其长度和高度小3~4个量级,且储层埋藏较深,目前尚无法直接测量实际地层中的水力裂缝宽度,仅能大致通过模型估算或数值模拟获得。通过在室内压裂试件中布置单根或多根布拉格光纤光栅(FBG)应变传感器,对类混凝土材料的水力裂缝宽度进行多点同步动态监测,得到不同时刻多点水力裂缝宽度的变化,并依据裂缝宽度变化得到了裂缝扩展速度,从而对水力压裂裂缝扩展中的尺度变化进行了过程描述。实验研究表明,室内水力压裂模拟实验中水力裂缝的宽度为微米级别,裂缝扩展速度为0.1 mm/s量级;在水力压裂过程中,裂缝宽度随裂缝扩展呈现波动式变化,并非随着裂缝扩展单调增加。研究结果对认识水力压裂裂缝的扩展及提升压裂工艺技术具有重要参考价值。

隧道二次衬砌监测的非线性回归分析研究

隧道二次衬砌性能劣化是影响隧道健康运营的主要病害,利用光纤通信技术对二次衬砌进行结构安全性分析,是保证隧道工程健康运营的重要手段。以埋入式光纤Bragg光栅应变传感器对田心隧道二次衬砌监测的实际数据为依据,选择最佳的典型函数模型对隧道的监测数据进行非线性回归分析,得出能够反映应变发展变化趋势的回归曲线,预测支护结构(监测点)的应变趋势,判断支护效果,对隧道支护结构当前的和最终的稳定性进行分析,从而实现对隧道结构部的稳定性判断。