基于FBG的行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测方法研究

通过分析FBG传感器的传感模型与耦合理论,提出了一种基于FBG传感器的行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测方法。对宽带光源、传感光路、光电转换、信号解调以及数据采集等模块进行集成,搭建了内齿圈齿根应变动态检测系统,并利用该系统对不同负载工况下的行星齿轮箱进行了多次实验数据采集。结果表明:应用该系统能够实现对行星齿轮箱内齿圈齿根应变动态检测,同时,采集的数据与理论分析相吻合,能够为后续行星齿轮箱啮合状态监测与故障诊断工作提供参考。     

可调谐F-P腔进行锥形光栅 反射带宽解调的应力测量方法

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果。实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N。在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量。     

柔性曲面变形检测的FBG方法

为实现太阳能帆板、飞机机翼等薄板类曲面的动态检测,构建了一种基于光纤光栅（FBG）的传感阵列系统。将FBG传感器分布式地封装在形状记忆合金（SMA）薄片上,并采用增加预应力方式,扩大FBG检测拉应力的检测范围;利用空分复用（SDM）和波分复用技术（WDM）将FBG阵列布置到曲面上,传感器分布根据曲面应力状况采用植入式分布,应变较大的地方布置稠密,反之稀疏;曲面发生变形时,解调仪器解调出波长变化;计算机对采集数据进行处理,重建曲面形状并实时显示,以实现曲面的动态检测和显示。实验结果表明,此传感阵列系统的波长变化与曲率具有较好的线性关系,传感器布置合理、测量精度高,利用FBG能够实现曲面变形检测。     

胶黏剂黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响

考虑到FBG传感器用于机床应变监测时,胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响,研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型,并将粘贴层简化为三参量固体模型,得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后,通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明:在恒定应力作用下,黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化,当粘贴长度在30mm以上时,FBG应变传递率随时间的变化在4%左右;当粘贴长度为15mm时,应变传递率变化接近7%。分析该结果得出:适当增加粘贴长度,减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。     

基于二次曝光切趾技术的光纤光栅边模抑制性能研究

介绍了通过二次曝光来获取折射率直流分量的方法从而达到光纤光栅(FBG)反射谱切趾效果.在与基于不同的变迹光束所获得单次曝光切趾光纤光栅反射谱的横向比较和分析后,表明二次曝光切趾技术(二次切趾)的光纤光栅在反射谱边模以及带宽抑制性能上具有更加优良的效果.为二次切趾光纤光栅应用于密集波分复用系统中提供了理论根据和有益的参考.     

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。     

离散腔长变换解调光纤法珀应变传感器并联复用的研究

基于光纤法珀应变传感器的基本原理,阐述了两只光纤法珀应变传感器并联条件下的组合输出信号.讨论了离散腔长变换的方法用于复用组合输出光信号进行解调的原理.最后,通过计算机仿真和实验验证了此方法的可行性.     

光纤光栅空分光复用传感系统的研究

介绍了一种光纤光栅空分复用传感系统,并将光纤光栅的传感特性应用于结构健康检测系统中。宽带光源发出的光波进入光栅阵列时,利用光开关选通不同光路实现FBG空分复用传感系统。系统采用等腰三角形悬臂梁调谐装置对FBG进行挠度加载,利用非平衡M-Z干涉技术对传感信息进行解调,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,从而得到被测应变的大小,成功地实现了空分复用传感。该系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点,其传感分辨率为7.3 nε,灵敏度的实验值为0.82°/με。     

OLCR技术实现光纤Bragg光栅分布式非均匀应变测量

FBG测量非均匀轴向应变时,反射波谱形状改变,无法用测量Bragg波长的方法来解调。光学低相干技术（OLCR）是解决这个问题的可靠方法。OLCR测试系统以一套扫描Michelson干涉仪为核心,实现光纤光栅脉冲响应的测量,经傅里叶变换,将脉冲响应转化为失调范围内的频率响应,采用光栅重构技术,获得光栅沿轴向各段的复耦合系数,从而由复耦合系数得到沿轴向各段的Bragg波长。最后根据FBG的传感模型可以获得沿轴向的应变分布。结合一套实用的时分复用OLCR系统,详细论述了OLCR测量方法。该系统用于复合层板Ⅰ型层分断裂试验中FBG应变传感器的测量,得到了断裂过程中的轴向应变分布,结果切实可靠。实验证明OLCR能够很好的实现FBG的复杂应变测量,具有很好的应用前景。     

基于光纤光栅传感器温度补偿的低温应变测量方法研究北大核心CSCD

针对低温结构应变难以精确可靠测量的问题,采用两端粘贴工艺制备了耐低温胶封装FBG应变传感器并通过低温单轴拉伸试验研究了其应变响应特性,理论推导了考虑光纤热光系数的温度补偿算法并通过低温温度响应试验分析了其准确性,最后应用于LNG球阀球体低温应变测量。封装工艺不改变FBG反射光谱形状,低温下传感器呈良好线性、重复性和稳定性,温度补偿算法有效提高了温度变化引起的应变测量精度,实现了低至液氮温区的球体应变监测。研究表明,耐低温胶封装FBG应变传感器结合考虑热光系数的温度补偿算法为LNG球阀等低温结构的应变测量提供了一种有效方法。     

Strain sensing characteristic of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings damage detection technique

There are good prospects for development of ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings (UE-FBGs) damage detection techniques in the field of Nondestructive Testing (NDT). However, corresponding strain sensing theories are few and only applicable to the embedded fiber Bragg gratings (FBGs) sensors in composite structures. First, a four-cylinder sensing model for both the embedded and glued FBG sensors is established by introducing a surface-bonded effect coefficient obtained from simulation analysis in this paper. According to the shear-lag theory, an improved strain sensing function is derived from this model by considering the contribution made by the elastic modulus of host material. Then, based on above function, the strain sensing characteristics are analyzed. Finally, the system with an ultrasonic transducer to excite FBG and a demodulation device employing a tunable laser to detect FBG wavelength shifts was established to validate the theoretical analysis. The experiment results showed that the ultrasonic strain sensing ability of the FBG sensor decreased with the increase of ultrasonic frequency and glued thickness.     

啁啾效应对Bragg波长匹配解调精度的影响与消除

介绍了光纤光栅Bragg波长的匹配解调原理,分析了传感光纤光栅和匹配光纤光栅的反射谱相关函数, 说明相关函数与光电探测器输出信号具有线性关系。指出基于最大相关原理(光电探测器输出信号极值判断法)的匹配解调只适用于两个光纤光栅具有相同的反射谱型。采用光电探测器输出信号峰值判读时,传感光纤光栅的啁啾效应会引起Bragg波长的解调误差。理论分析和实验研究表明,对光 电探测器输出信号进行去卷积运算处理可以消除传感光纤光栅啁啾效应对Bragg波长解调精度的影响。     

柔性曲面形状检测传感网络设计

针对太阳能帆板等柔性曲面检测,其动态变形检测难度大。用光纤光栅（Fiber bragg grating,FBG）设计曲面传感阵列,利用空分复用和波分复用技术构建传感网络检测系统。传感器网络的数目根据波动理论和检测仪器的最大解调范围确定;传感网络在曲面的分布根据曲面应力状况和变形特点进行植入式分布,在振幅最大的位置布置传感器,在曲面应变大的位置布置稠密,反之稀疏,根据曲面变形的有限元模型,实现模拟太阳能帆板柔性曲面传感网络设计。并对传感网络的检测精度进行试验,试验表明此传感网络中传感器检测具有良好的线性关系,传感网络中传感器布置位置合理,传感网络能够检测帆板的多种变形。传感器封装在保持40 mm的长度中,传感器测试误差仅有0.4％,柔性曲面测试误差小于4%。     

Simultaneous measurement of temperature and strain by combining a fiber Bragg grating and the pigtail fiber covered with epoxy resin

A fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and strain based on a fiber Bragg grating (FBG) with the pigtail fiber covered with epoxy resin is presented. The side mode suppression ratio of the FBG will vary with the temperature due to the Fresnel reflection from the interface between the pigtail fiber and the epoxy resin whose refractive index is sensitive to the temperature. The sensor is also capable of simultaneous measurement temperature and strain by combining the Bragg wavelength shift characteristics as the temperature and strain of the FBG.     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的三维测头。FBG的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λB=2neΛ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期Λ和纤芯折射率ne,并且FBG对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的FBG,FBG的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对FBG的轴向应变,从而使FBG的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感FBG,从传感FBG反射的光经过耦合器进入匹配FBG,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感FBG的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。     

基于CLPG的FBG监测系统及其应用

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统.该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反射光功率会发生变化,通过对FBG谐振波长处光功率的探测,从而实现FBG传感信号的监测.监测系统具有结构简单、成本低、解调速度快等优点.利用该监测系统对某型可变体机翼进行结构健康监测,结果表明该监测系统的应变分辨率为2με,实验结果与有限元分析结果相符,最小误差仅为3.27％,表明该监测系统能够用于可变体机翼的结构健康监测.     

基于裂缝损伤识别的FBG应变传感器分布规则研究

文中介绍了光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)分布传感的一般理论和其在损伤识别方面的研究概况,同时利用有限元分析软件对简谐载荷作用下的简支板一维方向上的应变分布进行了谐响应理论分析,并根据分析结果确定了FBG应变传感器的分布间距。