涂覆层对光纤布拉格光栅应变传递的影响机理分析

利用光纤布拉格光栅(FBG)测量结构物表面的应变时,FBG的涂覆层会对其应变传递产生影响,从而造成测量结果与真实应变之间有较大的差异。针对此问题,建立了应变传递模型对有涂覆层和无涂覆层两种FBG应变传递率进行了理论分析,得出了两者的平均应变传递率随粘贴长度的增大而增大。为了验证理论模型的适用性,进行了等强度梁实验,实验结果表明在相同的粘贴长度下有涂覆层FBG的平均应变传递率较低,且其最大平均应变传递率仅能达到92%,而无涂覆层FBG在粘贴长度达到6 cm时,应变传递率已经可以达到99%,可以满足绝大多数的应变测量需求。所建立的应变传递数学模型与实际的试验验证结果相符,深刻揭示了涂覆层对FBG应变传递率的影响规律,为FBG应变测量的工程应用提供了重要的参考。     

表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器层状结构对测量应变的影响

由于用表面粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量应变时会影响基体的应变分布,本文研究了光纤应变与基体应变之间的关系。针对该类传感器建立了基体与光纤之间的应变传递函数用以修正测量应变,然后研究了FBG传感器与基体之间的相互作用。最后,利用有限元分析(FEA)和实际实验对提出的理论进行了验证。结果显示:光纤应变的FEA解与理论解的误差在5%以内,实验解与理论解的误差在8%以内,结果表明该理论完全满足表面粘贴式FBG传感器的精度要求。另外,分析了黏结层和基体对应变传递的影响,结果显示:平均应变传递率和应变传递率随着基体弹性模量的增加而增加,但它们随着黏结层顶端厚度和底端厚度的增加而逐渐减小。     

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。     

光纤光栅三向力传感器的应变传递特性研究

在传感器精确测量轮胎—路面接触产生的三向力中,光纤光栅的封装结构很重要。构建了光纤光珊三向力传感器的应变传递理论模型,运用有限元法和实验对比分析了传感器三个方向的应变传递影响因素及特性。实验表明,F_x、F_y方向的应变传递具有相似性,粘贴长度对应变传递率影响较大,粘贴宽度对应变传递率影响较小,粘贴厚度小于0.5 mm时会影响应变灵敏度,F_z方向传递率超过100%,具有应变增敏效果。确定了粘接层的最佳组合,F_x、F_y方向的传递率可达90%以上。     

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。     

基底刻槽封装式光纤光栅传感器应变传递影响因素分析

光纤光栅传感器大多经过封装后粘贴于被测结构表面使用,而封装基底和粘胶的存在,导致结构的真实应变与光纤光栅感测值之间出现偏差。建立了基底刻槽封装的光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别分析了基底的长、宽、厚和基底材料弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。结果表明,采用刻槽封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率,在有效范围内随着基底长度的增加而增加,随着基底的宽、厚和材料弹性模量的增加而减小,为光纤光栅刻槽封装提供定量的指导。     

FBG细径形状传感器的应变传递和精度实验

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用,如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等,其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度,本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面,形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明,封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加,黏结层外径的增加对其影响不大,验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中,改进了FBG形状传感器的形状重建算法,末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。     

双晶悬臂梁压电发电装置发电能力的仿真

针对双晶片悬臂梁式压电振子的理论模型,分析了压电振子的结构参数对压电发电装置发电能力的影响。运用ANSYS有限元软件建立了压电振子的压电耦合模型,研究了压电振子的配重质量、悬臂梁长度和金属基板厚度等结构参数对压电振子的固有频率以及压电发电装置发电量的影响规律。为了验证有限元模型的正确性,对典型结构参数压电悬臂梁的一阶固有频率和发电电压进行了实验测量。仿真结果表明,增加悬臂梁的配置质量和长度、减小悬臂梁基板的厚度都可以降低结构的固有频率,选择恰当的结构参数匹配可以使发电装置的固有频率接近外界的激振频率,从而实现最佳的发电性能。     

动力机械隔振系统传递率影响因素研究

采用理论分析和实验研究相结合的方法,研究了动力机械隔振系统参数对传递率的影响,获得了不同的激振力频率下,刚度和阻尼参数对传递率的影响规律,并分析了规律存在的内在机理。研究结果表明,当动力机械设备工作在低频共振区时,传递率Ta的最大值与刚度(或固有频率)无关,随阻尼比ξ增加按T_a=1/(2ξ)+1规律明显下降;当动力机械激励频率ω远高于固有频率时,传递率随隔振系统刚度减小而明显下降,同时减小阻尼比也有助于减小传递率;对于质量、刚度和阻尼均确定的系统,当激励频率远大于系统固有频率时,传递率Ta随激励频率ω增加而减小。上述结论得到了试验验证。     

表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递分析

表面粘贴式MEMS应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响,结构的应变并不能全部准确、有效地传递到MEMS应变传感器上,造成传感器的测量值与结构的真实应变之间存在一定误差。为了分析表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递机理,基于剪滞理论建立了MEMS应变传感器的力学分析模型,推导出基体和MEMS应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征MEMS应变传感器应变传递效果的应变传递率,并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地,具体分析了粘接层及MEMS应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明,金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率,且粘接层厚度越薄,应变传递效果越好。此外,在制造MEMS应变传感器时,采用厚度较薄的Si或Si C基底能保证较高的应变传递率。     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

光纤传感器埋入沥青路面基体的应变传递误差

介绍了光纤传感涉及的应变传递理论,基于该理论建立了基体和感知光纤应变的定量关系,以消除应变传递误差,提高测试精度。针对埋入式光纤传感器用于高黏度的柔性沥青路面基体的最普遍形态,建立了含感知光纤、封装层和基体的典型三层力学模型。采用Goodman假设描述层间剪应力关系,引入傅里叶级数法求解微分方程,建立了基体和感知光纤的平均应变传递关系。通过室内试验论证了推导的应变传递理论公式的有效性,并对影响平均应变传递效率的几何参数和材料参数进行了灵敏度分析。分析结果表明:光纤粘贴长度越长,光纤和封装层的层间黏结越紧密,平均应变传递系数越大,应变传递效果越好。本文的研究可广泛用于埋入式光纤传感器的应变传递误差修正及封装设计。     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性（英文）

本文基于耦合模理论,建立了严格的四层金属膜理论模型,探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating,LPFG)的温度、应变及折射率特性,以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响。仿真结果表明,长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surfaceplasmon resonance,SPR)特性,这一特性将使得LPFG对稳定及折射率都有较高的敏感性,而对应变影响较小。理论分析表明,银膜厚度在0.8-1.2nm范围内时,折射率敏感度达到最大值为42.4026,敏感度增加4.5%。仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导。     

试验台约束对滑动轴承动特性识别精度的影响

在滑动轴承的动特性测试中,试验台参数对动特性测试精度有重要的影响。以某倒置式轴承动特性试验台为研究对象,基于轴承动力学正反问题,提出滑动轴承动特性系数识别精度的仿真评估方法,分析不同激振频率时试验台约束参数对轴承动特性系数识别精度的影响规律,并对激振频率和约束参数的取值范围进行优选。结果表明：在较低激振频率的条件下,当约束刚度和约束阻尼取值较小时,动特性系数的识别精度受测试误差的影响不大,随着约束刚度和约束阻尼取值增大到一定值,动特性系数的识别精度受测试误差的影响迅速增大。针对研究的试验台,选择激振频率在30~300 Hz之间,选择试验台约束刚度小于试验轴承刚度的0.3%,试验台约束阻尼小于试验轴承阻尼的7%时,能够保证较好的轴承动特性系数的测试精度。     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.     

基于FBG传感技术的深海立管涡激振动测试研究

为了探索光纤光栅传感技术在深海立管振动测试中的适用性,采用光纤光栅应变传感器,在大型波流耦合试验水池中进行了阶段流作用下大长细比深海立管的涡激振动测试。试验立管模型长为6.2 m,长细比为310,模型材料采用铜管,立管上部1.2 m处于均匀稳定的流场中,下部5.0 m处于静水之中。沿立管长度四面对称布置48个光栅测点,通过改变外流流速、内流流速和初始顶张力等影响因素,采集应变数据并结合模态分析理论,分析了不同工况下立管的振动频率、幅值及模态等振动特性,研究了阶段流作用下立管的涡激振动规律。结果表明,光纤光栅传感技术能很好地满足大长细比深海立管的涡激振动测试要求,能准确体现立管的应变时程、振幅和频率等振动特性,清晰反映出在不同外流速下立管振动的多模态特征及每阶主导频率下的锁振区间。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

基于光纤光栅的叶片状态在线监测研究

随着旋转机械向着大型化、精密化方向发展,对设备运行状态检测水平也要求更高,在安全上、经济上的意义也更为重大。为了解决旋转叶片的检测的困难,以及易燃易爆、强磁场场所对检测传感器的干扰问题,文中采用光纤光栅传感技术从旋转速度对叶片固有频率和变形大小2个方面的影响进行研究。在旋转叶片实验检测中,采用在叶片表面直接粘贴光栅的方法对叶片进行了测试,测试结果表明,随着叶片旋转速度的增大,叶片的自振频率也在增大;波长变化的增大主要由叶片自振引起,旋转频率对波长变化影响不大。     

帕尔曼式声波防蜡器振动弹片固有频率分析

为了对帕尔曼式声波防蜡器的工作特性进行研究,以帕尔曼式声波防蜡器振动弹片为研究对象,采用ANSYS APDL语言创建了其参数化几何模型,分析了振动弹片的尖劈角度、长度、宽度及厚度等主要结构参数变化对其固有频率的影响规律.分析结果表明:振动弹片的尖劈角度对其固有频率影响较小,长度、宽度及厚度对固有频率影响相对较大,随着振动弹片长度和宽度的增大,其固有频率将减小,随着厚度的增大,其固有频率将增大.通过不同几何尺寸的振动弹片固有频率变化规律,结合射流脉动性振动频率可以确定振动弹片最佳的几何尺寸,使声波防蜡器达到最优工作效果.     

基于ADAMS客车空气悬架振动特性仿真研究

通过试验获取了1T15M-2膜式空气弹簧在不同初始气压下的刚度特性曲线,以空气弹簧的刚度特性曲线为基础,在ADAMS环境下建立了1/4客车空气悬架的多体动力学仿真模型,仿真研究了激振频率与振幅、簧载质量对空气悬架振动特性的影响.仿真结果表明:在保持车身高度不变的前提下,簧载质量的变化对空气悬架固有频率影响不大;在低于共振区范围内,簧载质量的变化对车身加速度的影响不大,但当激振频率高于共振区后,车身加速度随簧载质量的增大而减小,激励振幅的增大对空气悬架位移传递率影响不大,车身加速度随激励振幅的增大而线性增大.