光纤布拉格光栅高密度触压定位感知研究

以树脂C-UV 9400E材料设计了一种简单实用的高密度触压感知单元,将1 cm2的范围平均地分为9个区域并竖直封装9支光纤布拉格光栅(FBG)传感器.通过FBG中心波长变化量的监测,实现触压变化感知和位置对称性检测,从而对加载位置点进行判定.对1、2、5位置进行0～10 N的加载实验研究,有限元仿真产生的现象与实验现象一致.实验结果表明,所加载位置点对应的FBG中心波长偏移量最大,平均线性相关系数为0.9981.对位置1处的FBG传感器进行感知信号对称性实验研究,结果表明,在其两组对称位置2和4,位置6和8的感知灵敏度比值分别为1.022和0.78,实现了位置对称性检测.研究结果为以后进一步研究大型FBG传感网络的精准定位提供了理论基础.     

基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿研究

基片式FBG传感器封装结构在应变测试中受到广泛关注,尤其是在航空航天领域,其粘贴方式对监测飞机蒙皮应变具有重要意义。为了提高基片式封装结构的FBG测量飞机蒙皮应变精度,对薄板试验件粘贴基片式FBG传感器进行力学性能研究,实验结果表明传统粘结基片式FBG传感器方式会引起被测薄板材在拉伸过程中产生非线性变形。据此,通过ANSYS有限元分析软件仿真粘贴1 mm传感单元的1.5 mm薄板静态加载过程,并进行静力学有限元优化分析,力学分析及理论推导结果显示,对称粘贴基片式FBG传感单元能够解决应变与波长非线性关系,且能够有效补偿温度对测量的影响。搭建FBG解调系统与MTS力学测试实验系统,实验结果表明,在对称补偿的布点方式下,应变测试线性度为0.998,传感单元应变灵敏度为0.946 pm/με,提高了应变测试精度,可以有效的应用到飞机蒙皮应变测试。     

FBG应变传感器的疲劳性能研究

将光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器埋入树脂基复合材料内部,采用试验的方法研究了传感器的疲劳性能.FBG应变监测曲线变化规律符合复合材料层合板疲劳理论,经历106次循环载荷作用过程后,最大应变测量相对误差为1.11％,保持了良好的应变测试能力和较高的测量精度.实验证明:FBG能够实现对交变应变、应力的监测,具有良好的抗疲劳能力,为重要结构服役过程中的在线损伤监测、剩余寿命预报以及材料破坏失效的预警奠定了重要基础.     

FBG应变传感器标定过程中的不确定度研究

为实现光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器静态的性能测试和试验分析,设计了一种量程为700×10-6的FBG应变传感器标定装置对其进行校准实验.通过运用最小二乘法对解调仪中的中心波长和计算得出的应变量进行拟合,得到FBG应变传感器的静态标定系数,并分析标定装置的不确定度大小.结果表明:该FBG应变传感器标定装置合成不确定度是2.55×10-6,标定得出的FBG应变传感器的灵敏度1.37 ×10-3nm/10-6,线性度为99.72％,满足FBG应变传感器的标定要求,该传感器能够运用于工程实际中.     

新型岩土工程FBG测斜传感器的开发与验证

边坡内部角度的测量是决定边坡安全预警的重要因素,本文考虑边坡上覆压力的几种工况,结合GEO-studio软件加载实验的模拟边坡加载实验结果,设计了一种使用3D打印技术封装的FBG测斜传感器,通过标定实验得到角度与FBG波长的线性关系。模拟边坡加载实验分析了上部荷载对新型FBG传感器波长变化的影响,并将结果与软件模拟结果进行对比分析,发现两种边坡加载实验的结果趋于一致。该新型传感器成功的消除了温度变化的影响。     

双波长FBG折射率变化平均值的研究

光纤Bragg光栅(FBG)是发展最为迅速的光测量器件.为解决光纤光栅传感器温度应变交叉敏感的问题,使用双波长FBG替代传统FBG是实用性较好的方案之一.通过数值计算双波长FBG的反射谱,着重分析了双波长FBG的折射率变化平均值对中心波长及其反射率的影响.     

混凝土内应力测量的应变砖传感器设计与应用

针对混凝土内应力传感器匹配误差问题,设计制作埋入式应变砖传感器,将混凝土作为传感器一部分整体进行标定,从而减少实际测量中匹配误差的影响。传感器设计中考虑温度和干扰补偿,并对应变计进行良好防护以确保20MPa压力下传感器绝缘性能良好。进行50kN静态加载试验,得到加载力同传感器输出的函数关系和非线性误差。经过激波管动态加载试验,得出应变砖固有频率大于30kHz,可用于动态加载的混凝土内应力测量。     

无封装FBG应变传感器在桩基试验中的标定研究

针对海上风电桩基的沉桩模型试验,采用无封装分布式光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)应变传感器对模型桩的沉桩过程进行应变监测,为提高FBG应变传感器的测量精度,通过采用自主设计并研制出的标定装置,提出了一种用于桩基试验的无封装FBG应变传感器灵敏度系数的标定方法,并将标定结果与理论值进行对比。随后,在模型桩的桩顶、桩中和桩底位置安装电阻式应变片进行加载试验,将FBG应变传感器的测量应变数据与电阻应变片测量数据进行对比分析。研究结果表明：标定后的FBG应变传感器的灵敏度系数与理论值相比存在较大差异,最大误差为6.76%,这是由于标定后的FBG应变传感器测量结果更为准确,并且FBG传感器的测量精度要高于应变片。该标定试验为后续沉桩试验模型桩应变、应力及桩侧阻力的监测提供了可靠的数据支撑。     

Bragg光纤光栅法布里-珀罗应变传感器研究

提出了一种将Bragg光纤光栅(FBG)与全光纤法布里-珀罗传感器(FFPI)结合使用对静态应变进行高分辨率测量的新方法.选用中心波长基本相同的两个光栅组成的光纤法布里-珀罗传感器的反射谱具有光纤光栅和法布里-珀罗干涉仪的共同特性,因此可利用FBG的反射波长与应变漂移特性来粗测应变的范围,利用FFPI和伪外差解调法对精密测量应变的值,实现高分辨率的测量.通过实验测定,该系统对静态应变测量的分辨率达到了59.2nε.     

矿用光纤热线式风速传感器设计

实时、准确地获取风速数据,有助于精准控制矿井风流。现有的热线式、叶轮式、超声波涡街式、差压式等矿用风速传感器或易受干扰,或无法检测微风速,或量程小,且均通过电信号获取风速,存在安全隐患。基于掺杂光纤光热转换特性和光纤Bragg光栅(FBG)测温原理,设计了一种矿用光纤热线式风速传感器,通过掺杂光纤将光能转换为热能,通过解调热交换下FBG中心波长漂移量推算传感探头温度变化,进一步计算出风速。在FBG解调过程中采用光栅复用技术,实现了多台传感器共用同一光源和解调仪,降低了成本。实验室测试结果表明:FBG中心波长漂移量与风速呈非线性关系;在较低的风速范围内,泵浦光源功率越高,FBG中心波长漂移范围越大,风速检测灵敏度越高,风速为0～0.57 m/s时,传感器灵敏度为1 370pm/(m·s~(-1)),最高分辨率达0.7mm/s;传感器响应时间随风速增大而减小,波长动态范围随之增大。现场测试结果表明:该传感器可实现煤矿井下微风速、低风速检测,稳定性较好,监测值能准确反映现场风速变化。     

缆索内置光纤光栅传感器胶接植入试验研究

为实现光纤光栅传感器胶接固定于桥梁缆索钢丝以监测缆索索力,利用胶接结构的剪切测试、钢丝疲劳测试和循环加卸载测试分别对光纤光栅传感器支座与钢丝间胶接结构的剪切性能、疲劳可靠性以及胶接光纤光栅传感器的测试性能进行评估.试验发现:光纤光栅传感器支座与桥梁缆索钢丝间的胶接结构具有较大的剪切载荷,且200万次疲劳载荷对其胶接结性能影响较小;胶接固定于钢丝上的光纤光栅传感器可测出钢丝加卸载的滞回效应,并每个循环加、卸载的波长和钢丝承载载荷关系呈线性且分别重合.结果表明:内置光纤光栅传感器的胶接固定结构具有良好的剪切力学性能和疲劳可靠性,可保证其光纤光栅传感器的测试具有良好的准确、稳定、可靠性.     

光纤Bragg光栅损伤检测系统

损伤会导致结构局部刚度的下降,结果使损伤部位邻域的应变场分布发生显著变化。光纤Bragg光栅（FBG）传感器具有很高的灵敏度并能组成传感网络,适合于检测应变场的变化。通过应变场的变化也可以对失效螺钉进行定位。分布在结构表面的FBG传感器检测的应变数据组成向量,其单位向量定义为“模式”,该模式与载荷大小无关,与加载点位置有关,因此,能用于描述应变场。如果损伤前后模式的相关系数小于1,则加载点附件的螺钉可以判定为损伤。该方法在机翼盒段螺钉失效检测实验得到应用。     

Investigation on packages of fiber Bragg grating for use as embeddable strain sensor in concrete structure

The paper covers detailed investigation on encapsulation and packaging of fiber Bragg grating (FBG) for strain sensing of concrete structures in embeddable form. Non-uniform strain distribution due to imperfect curing of the epoxy and its effect on the FBG spectrum has been studied experimentally and correlated with theoretical simulation. For a specific package, an optimal curing condition has been found and shown to have good repeatability. The successfully packaged sensor has been embedded in a concrete structure and the response has been found to be linear. Response of the sensor under static loading condition is compared with surface mountable electrical resistance strain gauge (ERSG) and embeddable type EFPI (extrinsic Fabry Perot interferometer) fiber optic sensor. The sensor has also been tested under dynamic loading of the structure.     

无外力影响光纤Bragg光栅封装温度传感器

双出头光纤光栅温度传感器很容易因传输线路受到外力作用而产生测试误差。为了解决这个问题,针对原型和增敏2种情况,分别提出无外力影响的新型封装方法,有效地阻止了外力对光纤光栅的影响,并在5~95℃进行了灵敏度标定和外力影响试验,同时,对比了在封装管内填充热良导体和不填充热良导体对温度传感特性的影响。结果表明:采用该工艺封装的光纤光栅温度传感器线性度很好,相关系数均达到0.999以上;原型封装的灵敏度与裸光栅一致,增敏封装的灵敏度是裸光栅的2.86倍;填充热良导体后的传感器对温度的响应速度获得提高,而灵敏度和线性度未受影响;当温度不变时,传感器两端受到80 N的外力作用时,波长读数不产生变化,达到了无外力影响的封装效果。     

飞机作动器连杆光纤光栅载荷校准方法

结构状态评估技术可为飞机活动面载荷试飞提供监测手段,以验证载荷设计方法和分析数据是否有效,并可为活动面安全性确认和结构设计优化提供最直接的数据参考。传统的应变片测量方法在低温环境下的测试不稳定性可能会导致采集数据异常,使飞行载荷实时监测及精度保证成为型号试飞的一个难题。本文利用光纤传感器低温测试性能较稳定特性,结合理论分析、有限元仿真计算及试验验证,建立连杆结构在拉、压载荷工况下的应变-载荷关系模型,并提出一种基于光纤光栅传感器的作动器连杆应变-载荷校准方法。同时,针对作动器连杆结构典型承载形式与载荷辨识工况,给出光纤光栅传感器优化布局方法。研究结果表明,本文中建立的基于光纤光栅传感器的应变-载荷反演方法有效,能够满足民用飞机典型作动器连杆结构应变监测及载荷反演需求。     

耐高压FBG压力传感器实验研究

为了提高光纤Bragg光栅（FBG）的压力灵敏度以实现油气井下高压传感的测量要求,设计了一种以薄壁筒为衬底外加保护套的耐高压FBG传感器。将FBG沿着弹性筒的轴向用高温胶固化在筒的内部。由于外界油压将引起弹性筒轴向压缩并传递到FBG上引起FBG波长的变化,测量FBG波长的变化即可得到外界压力的变化。理论得到传感器的压力响应灵敏度为-0．035nm／MPa;0-40MPa压力范围内压力实验测得传感器压力响应灵敏度为-0．0339nm／MPa,线性拟合度为0．9997,理论和实验符合得很好。结果表明：该传感器性能稳定,线性度和重复性好,可以用于油气井下高压的实时测量。     

FBG传感器监测气候条件对电力铁塔横担应变的影响

在电力塔架横担长期运营过程中,绝缘横担的应力变化复杂。对横担应力的实时监测是保证塔架横担长期安全稳定的一个重要因素。提出一种可以把横担主材所受应力变化转换成光纤Bragg光栅(FBG)波长移位量的FBG应变传感器应用于变电站的电力塔架上。根据盐津变电站的气候特点,在塔架上下桁架主材表面中心处安装4只应变传感器。针对2011年2月份的气候条件,应变监测范围为-58.05×10-6~-242.52×10-6;同时在监测过程中2011年1月12日上午10点出现降雪、降雨天气,应变监测范围为-93.71×10-6~-3.46×10-6,并在10点4只应变传感器同时出现波动变化。实验表明正常情况下,电缆风舞、降雪、降雨等气候条件主要引起了电力铁塔中横担的形变。     

基于光纤光栅传感的根式沉井静载实验研究

应用光纤光栅传感网络测量桥梁根式沉井在破坏性静载荷实验中的应力变化。进行现场实验,根据有限元分析,多通道光纤光栅传感阵列设计安装在沉井的合适位置。根据沉井土层的分布情况,共布置10层光纤光栅传感元,每层包括8个光纤光栅应变计和1个光纤光栅温度补偿器。布置安装的光纤光栅传感系统通过对每层8个应变点的监测,可以准确测量同一水平结构层的应力变化分布。实验结果表明,光纤光栅传感网络可以在全程载荷实验过程中,监测桥墩的应力变化,为桥梁的安全运营提供了可靠的依据。     

基于光纤光栅技术的半刚性基层力学响应测试分析

依托104国道改建项目，开展了光纤光栅传感器在半刚性基层动静态力学响应测试中的应用研究。通过测试静载和动载作用下半刚性基层底拉应变，分析静载作用下轴重对半刚性基层底拉应变的影响，以及动载作用下车速对半刚性基层底拉应变的影响。研究表明，静载作用下半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，且随荷载值增加拉应变增长率不断减小，当荷载较小时，基层承受大部分荷载，层底拉应变实测值大于理论值，随荷载的增加，实测值逐渐趋近理论值，即受力情况逐渐趋于结构整体受力；动载作用下，半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，与车辆车速呈反比。测试结果表明光纤光栅传感器与半刚性基层协同变形良好，能较好地用于半刚性基层应变场的测试，应用前景广阔。