FBG传感器和电阻应变仪的振动监测特性

将光纤布拉格光栅(FBG)传感器和电阻应变片固定在等强度梁上,研究了两种传感器的振动监测性能,总结比较了其优缺点。通过固定在等强度梁末端的电机来产生振动,测试了FBG传感器和电阻应变片监测到随时间变化的振动信号,并分析了振动信号经傅里叶变换(FFT)的频谱图。实验结果表明,FBG传感器和电阻应变片监测到振动信号的时域图基本一致,但是FBG传感器监测到振动信号经FFT变换的频谱图出现较明显的二次谐波和三次谐波,电阻应变仪监测到的频谱图出现的谐波较弱。在实验中还观察到,在有电磁干扰情况下,电阻应变仪监测不到振动信号,而FBG传感器正常工作,不受电磁干扰。

深部煤矿巷道等强梁支护理论模型及模拟研究

分析了矩形巷道顶板的受力特点,得到了顶板各位置弯曲正应力与剪力的分布规律。据此推导出了保证巷道顶板维持稳定所需的锚杆参数,并进一步对影响锚杆长度选取的各因素进行了敏感性分析,确定了各因素对锚杆长度选取影响程度的主次关系。由此得出了不同长度锚杆支护下的巷道围岩能够满足稳定性要求,基于此提出了深部巷道等强梁支护概念,即根据顶板弯曲正应力分布特征,在中部弯曲正应力大的区域,采用高强度、长锚杆局部加强;而在两边弯曲正应力逐渐减少的区域,可适当减少锚杆的长度,但增加锚杆直径提高抗剪能力,以期实现巷道顶板各横截面上在不同长度锚杆支护作用下最大正应力都相等,初步建立了等强梁支护施工技术工艺。运用有限差分软件FLAC^(3D)模拟获得了锚杆原有传统支护与等强梁支护下顶板应力及位移分布规律,可看出采用等强梁支护理念可明显优化巷道的应力分布,让顶板局部应力达到均匀分布,并且有效控制了围岩变形,在一定程度上验证了等强梁支护技术的可行性。

基于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅低频加速度传感器

由于粘贴于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅受振动质量块驱动而产生应变,一种光纤Bragg光栅低频加速度传感器被研制和定义为基座运动引起的单自由度系统的受迫振动模型。模型计算表明该加速度传感器的固有频率fn为16.96 Hz.固定于激振器的光栅加速度传感器受正弦激励。加入硅油后,光栅加速度传感器的频响范围从原来的3-11Hz增大为3-22 Hz.试验结果表明：当激励振动频率接近系统固有振动频率时,阻尼系统决定了传感器的工作范围。然而,由于悬臂梁的粗端固定在基座上,传感器的频响受限于悬臂梁的固有频率。

光纤光栅位移传感器的开发及应用

针对全光纤结构健康监测系统中对位移监测的需求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅(FBG)位移传感器,它具有结构简单、测量精度高、温度自补偿等优点。通过对传感器进行标定试验,结果显示其线性相关系数可以达到0.999以上,传感器的测量精度为0.326%FS。该传感器在桥梁支座监测中的成功应用表明其可靠性高、对结构自身影响小,可直接测量支座位移,适合于长期工程结构监测。

利用等强梁装置验证非接触应变测量系统精度的试验研究

采用非接触应变测量系统在自制的等强梁装置上测量全场应变,与计算值进行比较分析,验证非接触应变测量系统的应变测试精度。试验表明,非接触应变测量系统可准确测试等强梁应变。

高强度Q460钢梁抗火性能研究(Ⅰ)——理论分析

为了得到高强度Q460钢梁高温下的抗火性能,采用有限差分法推导了高温下高强度Q460钢梁的截面温度计算方法并计算了温度分布,提出了钢梁各个组件温度的修正公式。基于常温下钢梁的整体稳定临界弯矩,根据Q460钢材的高温力学性能参数,分析得到了高强度Q460钢梁高温下临界弯矩和整体稳定验算参数;并利用等效刚度法考虑了温度不均匀分布的影响,研究了高强度Q460钢梁在不均匀温度下的极限承载力、临界温度和稳定系数。

振动时效试验研究及有限元法在确定时效性态上的应用

主要是进行振动时效的试验设计并利用有限元法仿真计算来确定试验用等强度梁的振动时效性态参数—固有频率和固有振型,通过计算可以准确选择等强度梁的振动时效试验电机机型以及频率,避免了扫频等步骤,使试验得到简化,并为采用振动时效技术选择性态参数提供指导意义。

CO_2激光写入的长周期光纤光栅加速度传感器实验研究

基于高频CO2激光在普通单模光纤上制作的长周期光纤光栅的应变和弯曲特性,本文设计制作了一种新型的加速度传感器.基于等强度梁理论分析了梁振动与长周期光纤光栅输出光强之间的关系,最后推导出了系统的加速度理论模型.文中搭建了长周期光纤光栅加速度计的实验测量系统.实验结果表明系统的加速度灵敏度约为2.82v/g,准确度约为8.96×10-4g,加速度测量误差约为0.82%.基于这种长周期光纤光栅的加速度计具有成本低、灵敏度较高等优点,因此在振动测量、惯性导航等方面将具有较好的潜在应用价值.

基于等强度悬臂梁的光纤传感器设计研究

根据光纤Bragg光栅和等强度悬臂梁的结构原理,推演了传感器设计的理论依据,并依据此原理设计了光纤光栅传感器,在实验室环境进行了测试,利用matlab进行数据处理,结果表明,该传感器可以应用于工程实践。

抗高过载低量程应变式加速度计优化设计

介绍了一种新型应变式加速度计,讨论了包括限位结构在内的传感器结构设计,并依据误差传递原理,对弹性元件——等强度梁进行了优化设计。实验表明,此加速度计具有抗高过载能力和适应低加速度值的灵敏度。

FBG悬臂梁应力传感器的ANSYS仿真及实验

利用ANSYS软件建立等强度悬臂梁的受力分析模型,仿真不同外力下等强度梁产生的挠度。实验中,用改性丙烯酸酯AB胶将光纤布喇格光栅FBG传感器固定在等强度悬臂梁上,测量等强度梁产生的应变。结果表明,强度梁的应变和挠度与施加的外力线性相关,FBG实验结果和ANSYS模拟结果基本吻合,两者得到的应变值最大误差为7.4%。

非均匀锈蚀钢筋-混凝土黏结性能试验

为探究非均匀锈蚀对钢筋与混凝土黏结性能的劣化规律,浇筑了8榀钢筋混凝土梁试件,首先通过外加电流引入钢筋锈蚀;钢筋达到设计质量损失率后停止通电,记录混凝土表面锈胀裂缝开展情况;然后对梁试件施加三点弯曲荷载以测试其黏结性能;最后梁试件黏结破坏后,将黏结区锈蚀钢筋取出进行三维扫描测试。试验结果表明:钢筋锈蚀产物体积膨胀引起混凝土保护层产生沿纵向受拉钢筋轴线方向的锈胀裂缝,且混凝土表面最大锈胀裂缝宽度与钢筋质量损失率呈对数关系;锈蚀钢筋表面存在锈坑,随着钢筋质量损失率增加到10.3%,锈坑总长度、总宽度和总深度分别显著增加了68.27、40.21、9.98 mm,即锈坑总长度随钢筋质量损失率的增加变化最为显著。基于试验结果,建立了考虑非均匀锈蚀影响的钢筋与混凝土相对黏结强度退化模型以及质量损失率与混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相关关系模型;并据此提出了基于混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相对黏结强度计算模型,且验证了模型的有效性。

板簧式起落架满应力设计方法研究

运用工程梁理论将板簧式起落架看做一个外伸梁,通过满应力反向迭代设计来确定缓冲器的厚度分布。设计所得的缓冲器在最大受载状态等价为等强度梁,从而使起落架设计实现用最小重量代价满足缓冲吸能的设计目标。对于一个给定的设计实例,采用MSC.Dytran进行落震仿真计算,并将设计结果与有限元仿真结果进行对比,对比证明设计方法有效,满足工程设计要求。

中低频集中质量悬臂式簧片仪基频分析方法研究

簧片仪是一种中低频冲击响应谱测量装置,设计时可将其简化为端部附带集中质量的悬臂梁。簧片仪的振型方程中存在超越函数,对于等截面簧片仪来说,可使用二分法等数值方法求解,计算量较大,该方法不适用于复杂截面簧片仪基频设计。首先利用悬臂梁自由端受集中力的挠度公式,推导出其等效刚度等效单自由度的弹簧振子系统,利用弹簧振子相关频率公式解决求解集中质量等截面悬臂梁的基频问题,该方法与振型方程求解的基频对比,发现在10 Hz以下的中低频区域,可以很好的保证等截面悬臂梁的基频精度,大于10 Hz的中频段,误差随频率的升高而迅速增大。接下来,通过Mohr积分的方法,推导出等强度集中质量悬臂梁自由端的最大挠度,并给出其基频的设计公式,该方法与试验进行对比,发现误差与等截面悬臂梁有相同趋势,因此利用瑞利能量法修正设计公式中的质量参数,修正后与实验误差在5%左右。经理论与试验验证,所提出的簧片仪设计方法简单可行、计算结果可信。

均布荷载作用下高强钢筋混凝土深梁受剪性能研究及有限元分析

采用八点集中加载方式模拟均布荷载作用,完成7根高强钢筋混凝土深梁受剪性能试验。试验参数为纵筋配筋率、水平腹筋配筋率和竖向箍筋配筋率,分析这些参数对深梁受剪承载力的影响规律。在此试验基础上,建立ANSYS有限元模型,并采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中的计算式,对深梁受剪承载力进行计算,将有限元计算结果及规范计算结果与试验值进行对比分析。研究结果表明:均布荷载作用下的高强钢筋混凝土深梁,随着3种配筋率的增大,极限承载力显著提高;ANSYS计算结果接近试验值,有限元模型能够合理反映深梁构件的受剪机理;对于受均布荷载作用下的深梁,我国规范计算结果较为保守。

基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器

研制了一种基于双等强度悬臂梁式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器。首先采用ANSYS软件对传感器进行数值计算与仿真,得到在各个阻尼比下传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线,不断变化传感器结构参数,寻找最优谐振频率与加速度灵敏度,从而得到传感器最优结构参数;根据仿真所得的最优结构参数,进行传感器加工;利用所加工的振动传感器进行振动台试验研究并对所得实验数据进行处理,将处理后的数据与ANSYS软件仿真得到的数据进行比较,结果表明,振动平台所测得的实验结果与ANSYS软件仿真结果相吻合,传感器的谐振频率为80.74Hz,可实现50Hz以下低频振动信号的实时监测,在5～50Hz之间的加速度灵敏度约为20.85pm/m.s-2。

一种用于周界入侵监测的FBG振动传感器

针对传统周界入侵监测中电学类振动传感器存在的误报率高、易受电磁干扰和不易实现大面积网络化和长期可靠的远程监测等不足,研究设计一种基于等强度梁结构的低频光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器。在分析等强度梁振动理论的基础上,推导了基于等强度梁的FBG振动调谐原理。结合工程应用实际,确定了等强度梁的结构尺寸,并针对振子质量进行优化设计。采用ANSYS对传感器进行有限元分析,得到其一阶谐振频率为94.74 Hz。分别采用激振频率为35Hz和50Hz的振动源对传感器进行振动试验,试验数据的时域及频域分析结果表明,本文传感器具有良好的动态响应特性,能够实现对振动频率的准确测量,可以满足特定环境下周界入侵监测的特殊需求。

Optical Fiber Grating Vibration Sensor for Vibration Monitoring of Hydraulic Pump

In view of the existing electrical vibration monitoring traditional hydraulic pump vibration sensor, the high false alarm rate is susceptible to electromagnetic interference and is not easy to achieve long-term reliable monitoring, based on the design of a beam of the uniform strength structure of the fiber Bragg grating （FBG） vibration sensor. In this paper, based on the analysis of the vibration theory of the equal strength beam, the principle of FBG vibration tuning based on the equal intensity beam is derived. According to the practical application of the project, the structural dimensions of the equal strength beam are determined, and the optimization design of the vibrator is carried out. The finite element analysis of the sensor is carried out by ANSYS, and the first order resonant frequency is 94.739 Hz. The vibration test of the sensor is carried out by using the vibration frequency of 35 Hz and the vibration source of 50 Hz. The time domain and frequency domain analysis results of test data show that the sensor has good dynamic response characteristics, which can realize the accurate monitoring of the vibration frequency and meet the special requirements of vibration monitoring of hydraulic pump under specific environment.

光纤光栅在等强度悬臂梁均匀应变区的转换与有限元分析

等强度悬臂梁作为力学传感器的关键转换元件,不同尺寸和材料的悬臂梁,其自由端的挠度和作用力的量程及光纤光栅的最大微应变也不同。采用光学测量中的基本元件光纤光栅及等强度悬臂梁为模型基础,设计模型平面节点坐标有六个,平面节点坐标可以改变等强度悬臂梁的尺寸,模型厚度依次设置为0.005m、0.010m、0.015m、0.020m、0.030m。对初始尺寸,厚度为0.005m,材料选择为碳素钢的悬臂梁的仿真,结果表明,光纤光栅工作在均匀应变区时,其自由端挠度的量程为0~2.767×10-2 m,作用力的量程为0~437N,光纤光栅的最大微应变为171με。

光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的标定与不确定度分析

研制了一种等强度悬臂梁结构的光纤Bragg光栅称重传感器。为了确定其称量结果的可靠性,通过分析载荷信息传递过程与光栅敏感元件的感知原理,推演传感器设计的理论依据,设计了采用标准质量块进行标定的静态载荷实验装置,通过MATLAB实现静态传感数据分析,并分析标定过程中存在的不确定因素进而确定了传感器的不确定度指标。实验表明:所研制的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的灵敏度为0.0069 nm/N,非线性误差为4.93%,重复性误差为2.59%,迟滞误差为3.21%FS,称重传感器的测量不确定度为0.409 N。设计的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器静态特性良好,在它量程范围内测量不确定度对结果的影响较小,满足性能要求,标定方法有效提高了标定效率和精度,为其他类型传感器综合性能定量分析提供了思路与工程实践。