光纤光栅检测的锚杆拉拔实验研究

为了实现煤矿锚杆受力过程及安全状态的长期连续监测,用光纤光栅传感技术构建锚杆支护的监测系统并做了实验.在实验室模拟煤矿井下巷道锚杆支护的受力过程,使用Φ18的金属锚杆,实验拉拔载荷达到76.44kN,采用3个沿杆身安装的光纤光栅传感器测试轴向应变,1个光纤光栅端头式测力计测试锚杆端部轴力,在杆身对应位置安装3个电阻应变片,研究锚杆端部轴力和杆身应变的变化.拉拔实验表明,光纤光栅端头式测力计检测锚杆轴力与杆身光纤光栅传感器、电阻应变片测试应变结果相一致,杆身光纤光栅传感器的应变传递系数为0.879.光纤光栅端头式测力计具有可重复使用、易于安装和保护的优点.     

埋入光纤布拉格光栅传感器的智能碳纤维复合塑料

根据弹性力学和边界条件,得出了光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变测量值与基体材料实际应变的关系方程。通过裸光栅直埋基体材料界面传递的特征系数,可表征和计算FBG检测应变与测点实际应变的误差及修正系数。并对固化于CFRP的FBG变传感特性进行了实验研究。结果表明:FBGBragg波长对应变表现出很好的线性和重复性。用电阻应变仪对FBG传感器应变传感特性进行实验对比标定,得出了表征FBG性能的应变传感灵敏系数。FBG传感器具有优异的应变传感特性,为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。     

FBG传感器应变监测温度效应分析

光纤Bragg光栅(FBG)在土木工程健康监测中得到广泛应用。依据光纤光栅Bragg方程,从理论上分析了光纤光栅应变和温度传感的工作原理,阐述了光纤光栅应变和温度双参量共同作用时引起交叉敏感的物理机理;并结合济南奥体中心体育馆钢结构健康监测中应变监测的相关数据,分析了温度效应对应变测量的影响。结果表明:在应变测量中,温度场偏差是影响应变测量误差的主要因素,温度补偿时温度场的选取要保证温度与应变传感器所处温度场一致,一阶温度灵敏度系数对Bragg中心波长漂移的影响几乎是应变灵敏度系数的10倍;但应变和温度的交叉敏感效应及其二阶项效应的影响一般可以忽略。     

基于FBG的切削力测量装置设计与分析

在分析光纤光栅(FBG)应变传感器原理的基础上,结合切削力测量特点,提出将FBG应用于切削力测量,设计了八角环结构的切削测力装置并对结构进行受力分析.利用FBG传感器测量八角环弹性体应变,构建了切削力测量系统,并进行了不同切削用量切削试验.实验结果表明,所提出的基于FBG的切削力测量方法可行,结构可靠.     

大型刚构-连续梁桥预应力张拉过程主梁应变的FBG跟踪监测

目的为了验证光纤光栅传感器在大型桥梁工程监测尤其是施工监测中的精确性及可行性,探寻桥梁施工监测中的新型传感技术.方法基于东营黄河大桥全寿命监测的系统构架,将大量的光纤FBG传感器布设在该桥关键断面上,用以监测施工及运营阶段的结构应变及温度.在主梁纵向预应力张拉过程中,用光纤光栅解调仪及其配套数据采集设备,对控制点上的传感器的中心波长信号进行了跟踪采集,进而得到了测点的应变时程曲线.结果通过建立施工过程的有限元模型,将监测值与理论计算值进行对比,并对二者之间的相对误差进行分析.发现监测值与理论计算值基本吻合,二者之间的相对误差随着预应力钢束的增长而增大,但最大仅为11.4%.结论光纤FBG传感器监测精度较高,可用于大型桥梁施工过程的应变监测.     

埋入式FBG传感器应变传递的有限元计算与理论分析比较

目的 研究埋入式光纤光栅(FBG)传感器应变传递规律,验证理论公式的正确性,为实际工程应用提供参考.方法 采用有限元方法 对埋入基体材料内部的光纤光栅FBG应变传感器的各层应变进行计算.结果 光纤应变与外界基体应变的比例系数小于1,封装钢管长度范围内的光纤的应变不为常数,纤芯与涂覆层的应变规律基本相同.结论 几种基本假设中,假定光纤与中间层一起变形,二者应变变化率相近最为合理,在此基础上推导出的理论公式可应用于工程实际.     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

基于新型FBG传感器的温度应变测试系统

为了能够同时监测温度与应变信息,设计了一种新型FBG系统,该系统采用线性啁啾光纤光栅结构,并设计了线性渐变厚度的FBG外形结构。针对新型FBG的外形结构进行了理论分析,推导了其对温度和应变的函数关系,给出了应变与轴向位置的具体形式。仿真分析了温度与波长偏移量的关系,并且分析了在不同轴向位置及应力水平条件下系统的应变值数据分布。仿真结果显示对于新型FBG而言温度与波长呈线性变化关系,应变受应力与z轴位置的影响而单调改变。由此从理论分析与仿真计算的角度验证了新型FBG传感器的可行性。     

管式封装FBG应变传感器应变传递率影响因素分析

目的研究自行开发的管式FBG应变传感器自身的应变传递率影响因素及相应的应变传递误差规律,为FBG应变传感器的设计与开发提供参考.方法采用有限元方法对封装的光纤光栅传感器进行应变传递分析.结果参考光纤、保护层、黏结层和封装材料之间的内部应变传递率和封装后的应变传感器外部保护层与基体材料之间的外部应变传递率是影响光纤光栅(FBG)应变传感器的应变灵敏度系数的两个决定因素.当封装钢管的直径和壁厚一致(胶层厚度一致)的情况下,胶黏剂的弹性模量越大,光纤的平均应变越小,变化非常明显,胶黏剂弹性模量分别为1.0×102MPa和2.0×103MPa时,钢管应变最大相差263μm.结论封装长度越长、胶粘剂的弹性模量越大,应变传递率越大.     

FBG传感技术在大坝安全监测中的应用研究

在阐述光纤布喇格光栅(FBG)传感器工作原理的基础上，研究了光纤光栅传感器在混凝土结构中的埋设技术。通过对混凝土结构施加载荷，探讨了光纤光栅传感器对混凝土结构内部应力应变变化的监测技术，并与振弦式应变传感器的监测结果进行了对比分析。结果表明：FBG传感器具有更高的精度和灵敏度，可实现绝对数值测量，抗干扰能力强，结构简单，长期稳定性好，能实现实时、在线监测。该技术在大坝安全监测方面具有广泛的应用前景。     

光纤布拉格光栅的横向效应研究

光纤布拉格光栅FBG测量应变是基于光纤轴线方向的应变响应，但在复杂应力状态下，当应变主方向与光纤轴向有一定角度时，光纤的应变响应就存在误差。采用电阻应变片横向效应系数的测量装置，得到单向应变场，验证了光栅横向应变效应的存在。光纤光栅的横向效应系数比应变片的横向效应系数要小，在某些情况下可以忽略，但是在复杂应力状态下，必须考虑其横向效应的影响。     

埋入式光纤光栅界面应变传递机理与误差修正

光纤光栅应变传感的准确程度主要取决于光纤、保护层和黏贴层以及基体材料的物理力学性能,即各层间应变传感的界面传递特性.本文以埋入式光纤光栅作为研究对象,推导出了考虑多层界面应变传递的光纤光栅应变传感的统一表达式.通过定义平均应变得到了光纤光栅应变传感的误差与修正公式.针对自行开发的埋入式光纤光栅管式封装应变传感器和FRP-OFBG应变传感器,研究了相应的应变传递误差规律和影响因素,给出了相应的误差修正系数,并通过试验加以验证.为埋入式光纤光栅封装应变传感器的开发与工程应用提供了理论基础.     

FBG宏应变传感技术在结构监测中的应用研究

通过对光纤布拉格光栅(FBG)宏应变传感技术进行研究,并结合平行分布相关理论,实现了对混凝土梁的挠度监测.根据有限积分法原理,利用FBG监测到的应变计算结构线形变化.实验采用一根4 m长的T形混凝土梁,T梁等分8个单元,在每个单元平行布置500 mm的宏应变传感器,同时用LVDT位移计实测T梁的挠度值,在两端处放置千分表,用来消除支座位移影响.结果表明:平行分布的FBG宏应变传感技术可以有效的监测结构变形,与LVDT实测值较接近.     

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.     

利用掺铒光纤光栅实现应变测试中的温度补偿

为实现光纤光栅应变传感器使用中的温度补偿,设计并制作了掺铒光纤光栅测试系统,利用光纤光栅解调仪和高速数据采集卡分别测试了掺铒光纤光栅的布拉格波长及荧光寿命.通过测量在不同温度及应变作用下的光纤光栅布拉格波长及掺铒光纤荧光寿命,并对实验数据进行线性及非线性拟合,得到了掺饵光纤光栅的温度及应变响应测试结果.测试结果显示利用掺铒光纤光栅可以实现应变测试中的温度补偿,在不同测量范围内选择不同的拟合算法可以提高测量精确度.     

大型工程长期健康监测用FBG应变传感器的研究

为研究适于大型工程长期健康监测的耐久性光纤光栅(FBG)应变传感器,提出并实现了传感光纤无机-聚合物-金属的耐久性组合式封装。对传感元件应变传递的理论计算结果表明,光纤的应变传递机制主要依赖于封装结构的无机内核,金属外套用于工程安装初期对无机内核的保护,聚合物主要起这两者间的连接作用,其应变传递机制被抑制,故即使其力学或材料性能发生转异或劣变,亦不对传感器的耐久性产生显著影响;应变测试的理论分析及模型实验结果均表明,相对于普通聚合物封装的FBG传感器,组合式封装传感器的检测精度有明显提高,验证了理论分析结果的可靠性。 更多还原     

固化于CFRP的光纤布拉格光栅应变传感特性研究

将碳纤维复合材料(CFRP)与光纤传感器相结合构成智能先进复合材料,对固化于CFRP的光纤布拉格光栅应变传感特性进行了实验研究.实验结果表明:光纤布拉格光栅B ragg波长对应变表现出很好的线性和重复性;布拉格光栅与基体材料粘结情况的好坏,对应变灵敏性与可靠性有直接影响;用电阻应变仪对布拉格光栅光纤传感器应变传感特性进行实验对比标定,得出了表征FBG性能的应变传感灵敏系数.结果表明测试数据稳定可靠,FBG光纤传感器具有优异的应变传感特性,为智能先进复合材料的研发与应用提供了重要依据.     

BOTDR技术监测GFRP锚杆应变的试验研究

为掌握玻璃纤维增强塑料(GFRP)锚杆的变形特性,采用布里渊光时域反射测量计(BOTDR)技术,对沿光纤的轴向应变进行分布式监测,得到试验锚杆通体的轴向应变.阐述了BOTDR技术的工作原理以及对GFRP锚杆的张拉应变监测试验过程.试验结果表明:光纤能与锚杆同步变形,BOTDR技术对锚杆体轴向应变的监测效果好,可以替代传统的锚杆应变计.     

玻璃纤维增强塑料锚杆粘结性能研究

为了研究玻璃纤维增强塑料GFRP(glass fiber reinforced plastic)锚杆的粘结性能,对GFRP锚杆轴向传力机理进行了研究,基于Mindlin位移解,得到GFRP锚杆的剪应力和轴应力的计算公式。利用MATLAB软件编制程序得到GFRP锚杆的剪应力及轴力沿杆体轴向方向的分布曲线。通过现场拉拔试验结合有限元分析软件ANSYS建模分析结果,得到了GFRP锚杆的剪应力、轴力沿杆体分布规律以及锚杆的粘结-滑移曲线,试验值与有限分析结果及理论计算值基本吻合,验证了有限元分析与理论推导的准确性。该研究为GFRP锚杆的设计和工程应用提供理论依据。     

FBG应变传感系统在巷道涌水模型试验中的研究

针对传统的电类应变传感器防水性能差、测量精度低和不能满足巷道涌水模型试验的需要等问题,基于模型相似材料研制了一种新型光纤光栅(FBG)应变传感器。采用波分复用(WDM)技术和Fabry-Perot(F-P)腔解调技术组成FBG应变传感网络,并编写了具有实时显示和自动预警功能的系统软件。将该系统用在巷道涌水模型试验中,在巷道周围布置了14个FBG应变传感器,对巷道推进过程以及模型加载和巷道扩挖过程中围岩应变进行实时监测。试验结果表明,设计的FBG应变监测系统测量精度高,防水性能强,并且提前4 206 s成功捕获了巷道涌水前兆信息,为预测煤矿矿等涌水事故提供了一种新的有效手段。