B/S模式的FBG信号远程监控系统设计

采用B/S结构作为监控系统的基本架构,开发了光纤Bragg光栅(FBG)远程监测系统.通过访问Web网络可以在浏览器界面查看FBG解调系统检测的FBG传感器数据.研究结果表明:通过查询2014年11月28日～2014年12月27日期间应变桩FBG应变传感器应变变化的时序曲线图与边坡上表面FBG位移传感器位移变化的时序曲线图,能够及时了解到不同监测对象的物理变化量.通过远程实时观察传感器数据信息,为工程的安全监测提供了依据.     

FBG传感器在复合材料固化监测中的应用

FBG传感器广泛应用于复合材料结构健康监测中,将双光栅的FBG传感器埋入到玻璃纤维/环氧树脂预浸层合板结构中,监测热压固化过程中温度、内应力变化以及固化残余应变,分析了残余应变对FBG传感器性能的影响。实验表明FBG传感器可以有效监测复合材料结构固化过程的温度和内应力,以及由温度计算的粘度变化,为智能固化控制提供依据,且固化于复合材料结构内的传感器可用于结构的全服役周期健康监测。     

基于光纤光栅的组合结构界面脱空变形检测

利用光纤B ragg光栅(FBG)传感器检测钢砼组合桥面板模型界面的脱空(掀起)损伤。模型试验经历了静载、300万次循环疲劳加载和破坏3个阶段。测试结果表明:在静载和疲劳试验阶段,FBG传感器布设点并未发生脱空,传感器测得相应位置的应变值;破坏阶段,在FBG传感器布设点相继出现脱空损伤。利用FBG传感器测得经历300万次循环加载疲劳试验后,钢砼组合模型发生脱空变形的临界应变值,并追踪其发展的全过程,为组合结构界面脱空变形检测提供了一种全新的、可靠的检测方法。     

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.     

一种改进的双光纤光栅大电流传感器

超磁致伸缩材料(Tb0.30Dy0.70Fe1.95)在不同方向具有不同的磁致伸缩效应,在此基础上,提出了一种改进的基于超磁致伸缩材料的双光纤Bragg光栅(FBG)大电流传感器结构.通过检测2个Bragg光栅的波长漂移差得到被测电流.消除了超磁致伸缩材料的温度影响,解决了FBG的温度-应变交叉敏感问题,同时,增大了FBG的应变,提高了传感器精度.试验结果表明:在-10～60℃的温度变化范围内,该传感器2个Bragg波长差与电流变化具有较好的线性度,不受温度变化的影响.传感器的电流灵敏度为5.78×10-4nm/A,与理论值的相对误差为2.89%.理论与试验结果符合较好,表明该传感器结构是可行的.     

基于分布式FBG的钢轨动静态载荷监测研究

针对铁道领域钢轨应变监测需求,提出一种基于光纤Bragg光栅（ FBG）传感器的钢轨应变监测系统。从静态载荷监测角度,研究了不同加载位置的FBG传感器中心波长随加载载荷大小变化的关系。从动态载荷监测角度,研究了循环加载状态下的各FBG传感器中心波长偏移量特性。研究表明：在静态载荷作用下,各FBG传感器中心波长偏移量均随加载载荷增大而呈现良好线性变化关系,且传感器对载荷加载距离和角度变化较为敏感。在动态循环载荷作用下,FBG传感器网络能够较好地实现对钢轨应变和温度参量的实时监测。这些研究为钢轨应变与损伤分布式在线监测技术提供了有益借鉴。     

安装于低模量基体的光纤光栅传感器应变传递分析

FBG传感器广泛应用于基体结构的应变测量,由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体并非直接接触,导致测量应变产生一定的损失。为了提高测量精度,本文建立了一个FBG传感器应变传递理论模型,并利用有限元验证其正确性;最后,利用本文理论对各个参数对应变传递率的影响进行详细分析。     

安装于低模量基体的FBG传感器误差分析

FBG传感器广泛应用于基体结构的应变测量,由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体并非直接接触,导致测量应变产生一定的损失,因此需要研究光纤应变与基体应变的关系用以提高测量精度。建立了一个FBG传感器应变传递模型,并利用有限元验证其正确性,利用文中理论对各个参数对应变传递率的影响进行详细的分析;理论解和有限元解误差在3%以内。本文理论满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。     

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明：平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。     

基于FBG的半潜式平台关键节点疲劳响应监测试验研究

半潜式平台在深海服役期间其关键部位的疲劳响应监测和超载预警是至关重要的。基于光纤布拉格光栅(FBG)监测原理,对半潜式平台结构关键节点进行了疲劳响应监测试验研究和疲劳损伤后的极限强度监测试验研究,通过FBG与应变计监测结果对比,分析了节点应变和位移变化规律,探讨了平台结构节点疲劳响应和疲劳剩余极限强度的监测方法。试验结果表明,FBG的疲劳响应监测值与应变计的监测值接近,曲线变化趋势一致,应变变化规律与位移变化规律比较吻合。FBG传感器能够监测到结构节点的疲劳响应和疲劳剩余极限强度的变化,可以为半潜式平台结构的安全评估和运行维护提供参考。     

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。     

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。     

一种新颖的布拉格光栅气体压力传感器的设计与实验

设计了一种将光纤光栅悬空固定结构的气体压力传感器,利用金属不锈钢菱形结构将波纹管中的压强转化成该菱形结构的应变,同时实现将菱形纵向分布的压力转化成菱形横向的应变,通过菱形结构应变直接被传递给光纤光栅,从而实现了测量波纹管内压强的目的。实验结果表明,在0～0.45 MPa范围内,光纤光栅中心波长的漂移与波纹管中的压强呈很好的线性关系,线性度可达0.99以上.在压力测量范围内,压力灵敏度系数达到1.360×10-3/MPa(相当于灵敏度2.111 nm/MPa)。     

光纤多模干涉应变传感器的数值模拟及实验研究

介绍了一种基于多模干涉理论的光纤应变传感器,它由两段单模光纤中间夹一段多模光纤组成。我们利用光束传播法(BPM)对这种结构进行了数值模拟,获得了多模光纤中被激励的所有高阶模式的耦合效率的解析解,通过计算得到其应变灵敏度是FBG型应变传感器的2.14倍。随后,对这种新型传感器进行了应变传感实验,实验结果为1.92倍,计算值与实验值基本一致,证明了此种数值模拟方法适于研究此类光纤多模干涉问题,并体现出这种单模-多模-单模结构的传感器在灵敏度方面的优势。     

输电铁塔塔身光纤光栅结构监测与时序融合研究

输电铁塔多处复杂地质结构,受不同地质灾害、风作用等影响易发生压坏、倒塔等现象,严重威胁电力系统稳定运行。常规目视巡视方法经济损耗大,不能及时发现问题。选取具有三层横担形式的双回路直线型输电塔,通过对输电塔ANSYS仿真分析获得应力分布。采用一种基于光纤Bragg光栅（FBG）传感网的输电铁塔在线监测系统测得塔身应变数据。通过分批估计与基于标准差的加权平均时序融合分析处理方法分别对4只FBG应变传感器在近半年采集的样本数据进行了融合,得到4支FBG应变传感器的时序融合值为：61.67με、61.37με、61.97με、61.82με。融合后的值可用于提高损伤识别的准确率,常规的目视巡视方法得到改善。     

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。     

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0.99998.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.     

FBG传感器在PHC管桩竖向静载试验中的应用

根据目前FBG传感器在混凝土管桩中的应用现状,介绍了FBG传感器的数据处理原理,针对试验中最易发生破坏的环节,提出了一种可靠的FBG传感器埋设工艺,结合现场PHC管桩竖向静载试验,将试验数据与传统电阻应变片测试技术相比。试验结果表明:FBG传感器存活率高达97.06%,测试数据可靠,测试精度满足工程要求,FBG传感器完全可以应用到PHC管桩竖向静载试验中。     

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。