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。     

低模量基体对埋入式FBG传感器测量应变的影响

由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体不是直接接触,导致测量应变产生一定的损失,FBG传感器测量应变与基体真实应变不相等.为了提高测量精度,建立了FBG传感器应变传递理论模型,并利用有限元证明其正确性;讨论了结构参数对应变测量的影响.结果表明:FEM解与理论解误差在5％以内,平均应变传递率随着基体弹性模...     

光纤布拉格光栅传感器与基于应变模态理论的结构损伤识别

介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理论的基本原理，综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状，由于基于应变模态理论的结构损伤识别受到传统应变检测手段的制约，因此，寻求一种高精度应变检测手段已成为应变模态理论用于现场结构损伤识别的前提，根据光纤光栅所具有的高工绝对测量、准分布工数字测量、抗电磁干扰、构造简单、使用方便等诸多优点，提出用具有高精度的光纤光栅应变检测技术代替传统的应变片测量技术，并分析了其可行性。     

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。     

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。     

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。     

金属直接连接的布拉格光纤光栅应变测量方法

为了简化应变传递环节,提高应变传递的长期稳定性,提出了一种将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)器件与被测物利用金属化连接技术直接连接的应变测量方法.提出了金属化直接连接FBG应变测量结构,分析了金属化连接技术的基本原理与技术流程.根据弹性力学控制方程,建立了金属化连接材料优选的应力传递模型,仿真分析了不同金属连接材料对应变传感性能的影响,证明了金属化直接连接方法的理论优越性.利用金属铅作为金属连接材料将FBG固定在一根φ7 mm的钢丝上,进行了应变传感性能评价试验,试验结果表明FBG输出中心波长与拉力之间存在较好的线性与重复性关系,线性度达到0.999以上,应变传递系数可维持在0.98,该试验结果与理论分析结果0.982 8较为接近,证明了理论模型与连接技术手段的正确性与可行性,表明金属化连接的FBG应变测量方法具有优越的应变测量能力.     

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。     

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001nm时,可测量磁感应强度为6~70mT。实验结果表明:该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3dB带宽的变化小于8pm。实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行。     

In situ monitoring of photostriction in chalcogenide glass film using fiber Bragg grating sensors

The reversible photostriction (photomechanical strain) in Ge₃₅S₆₅ chalcogenide thin film deposited by a solvent casting method has been monitored using a fiber Bragg grating (FBG) sensor. The shift in Bragg wavelength is used as a probing parameter to quantitatively measure the photoinduced strain arising because of structural modifications in these films under illumination. Exposure to band gap light (405?nm) and above band gap light (302 and 254?nm) leads to a reversible photostriction effect of the order of 100?µε. The present study shows that FBG sensors can be used to effectively measure the optomechanical actuation in chalcogenide films caused by the reversible photostriction effect in the visible and ultraviolet wavelength region.     

光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用

为了更准确了解桥梁结构变化情况,提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法,用光纤Bragg光栅(FBG)表面式应变传感器,对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明,对温度(测量记录最大温差6.4℃)进行补偿后,光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内,表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。     

Monitoring corrosion of reinforcement in concrete structures via fiber Bragg grating sensors

Corrosion of steel and rebar in concrete structures is one of the most frequent reasons for civil infrastructure failures. Thus, improving the effective corrosion sensor technology can greatly reduce cost and provide safe structures with long service lives. However, assessing the corrosion condition of rebars is not simple because they are buried in concrete. In this paper, using fiber Bragg grating (FBG), a corrosion sensor for monitoring steel rebars embedded in a concrete structure is developed and validated by experiments. Based on the fact that the volume and diameter of a rebar embedded in concrete will enlarge due to corrosion, an FBG packaged with fiber-reinforced plastics (FRP) is wrapped on the steel bar. During corrosion, the increase in the bar diameter leads to the increase in fiber strain, which can be measured by the shift of the wavelength of FBG. Performances of the corrosion sensor are validated by accelerating corrosion in lab experiments. The corrosion sensor is embedded in a concrete specimen put in a 5% sodium chloride solution with a constant current. Experimental results show that the corrosion sensor can monitor the concurrence of corrosion of rebars in concrete. The corrosion extent can be quantitatively evaluated through the change in the wavelength of FBG. Therefore, the corrosion sensor developed in this paper is feasible for monitoring the early corrosion of rebars in concrete.     

光纤布拉格光栅压力传感的分析与计算

为了检测光纤布拉格光栅(FBG)对压力响应的灵敏度和可重复操作性,根据FBG传感的原理,分别讨论了其温度和应变传感特性。通过实验测量了FBG轴向应力与中心反射波长的关系,得到两者之间呈良好的线性关系,光栅的轴向应变灵敏度为0.013pm/μm。将FBG黏贴在一圆柱杆上,测量了压力增大和减小时FBG中心波长的变化,拟合得到线性度分别可达到0.999 0和0.999 9,压力响应灵敏度均为4.8×10~(-3) nm/MPa,并计算出中心波长实验值的相对误差为2.05%,同时分析了误差存在的主要原因。     

Differential strain measurement using multiplexed fiber Bragg grating sensors

We investigate differential measurement of strain using fiber Bragg gratings and spatial demultiplexing methods. Differential measurement is shown to improve strain resolution in the presence of noise by an average of 34% compared to absolute measurements of the Bragg wavelengths. Spatial demultiplexing of the gratings provides potentially high-resolution sensing without calculating the sensor wavelengths. The differential method is still temperature dependent. We apply the differential technique to the problem of oil-water boundary detection in production columns, with promising preliminary results.     

Simultaneous distributed measurement of the strain and temperature for a four-point bending test using polarization-maintaining fiber Bragg grating interrogated by optical frequency domain reflectometry

We demonstrate a simultaneous distributed strain and temperature measurement technique with the spatial resolution of 1 mm using fiber Bragg gratings inscribed in a polarization-maintaining and absorption-reducing fiber (PANDA-FBGs) and optical frequency domain reflectometry (OFDR). We conduct four-point bending tests in an environmental chamber. Using high birefringent PANDA-FBGs that are manufactured specifically for the simultaneous measurements, the uniform temperature distributions and the typical strain distribution profiles of the four-point bending tests were successfully obtained. The measurement errors of strain were from −31 με to 19 με, and of temperature were from −0.9 °C to 1.3 °C. The spatial standard deviation was 7.5 με and 0.9 °C. We also discussed the effect of the residual strain of the sensor-bonding procedures and the data averaging.