基于FBG的飞机起落架载荷测试技术研究

针对某型飞机起落架三向载荷的监测需求,提出了一种采用光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感和多元线性回归相结合的起落架载荷测试方法。通过对起落架进行有限元仿真分析,得到了不同载荷作用下起落架的应变分布,根据应变分布特征确定FBG应变传感器的布片位置,形成应变传感网络。在此基础上,进行了主起落架地面静态载荷标定试验,并通过多元线性回归的方法形成应变-载荷计算方程组,最后对载荷计算方程组进行了验证性试验。研究结果表明,基于FBG的起落架载荷测试方法能有效反算起落架的三向载荷,反算得到的载荷与施加载荷的相对误差在5%以内,满足实际工程应用需求。     

基于FBG阵列的曲面结构状态感知系统

针对由应变场变化和环境载荷等因素引起的结构变形问题,设计了一种基于光纤光栅传感网络的自由曲面结构状态感知系统,提出了基于布拉格光栅(FBG)阵列测试数据的三维曲面重建算法。通过ANSYS对曲面结构加载不同状态载荷,仿真分析了其应变场分布规律,在100 N时其最大形变量为0.243 mm,并根据应力场分布特性确立了FBG阵列的位置。搭建了曲面位置偏移及三维应力场分布的测试系统。实验结果表明,Handyscan测量数据与实际测量数据的绝对误差均保持在0.026 mm之内,说明三维重构曲面可以很好地反映实际曲面受应力后的面形变化,其变形曲面重构的FBG各测量点数据与Handyscan测量数据的相对误差均保持在6.67%之内,平均相对误差均小于4.53%。所得结果验证了系统的可行性。该测试技术可用于飞行器结构健康监测中蒙皮面形偏差监测及应力场分析。     

基于FBG的钻孔应变传感器研制

为了监测地壳内部的微应力应变,设计了一种基 于光纤布拉格光栅(FBG)的钻孔应变传感器。结合FBG的传感原理,通过有限元分析 ,构建出曲边三角形的 传感应变结构,并根据其传感特点进行相应的封装。使用参考光栅法,在应变片上粘贴两支 FBG,在一支 FBG测量应变的同时另一支FBG对其进行温度补偿,解决了FBG对温度和应变同时敏感的 问题。为了模拟传感 器在 钻孔中的环境,建立了微应变测试平台。实验结果表明,研制的钻孔应变传感 器的灵敏 度为0.092pm/με,且具有较大的增敏空间。     

高冗余光纤光栅传感网络的设计与实验研究

结合无源光学器件,提出并设计了一种新型的高冗余光纤布拉格光栅(FBG)传感模块,并将设计的FBG传感模块与波分复用技术相结合,构建了高冗余FBG传感网络.以长方形铝合金板为研究对象,对高冗余FBG传感网络的可靠性进行研究,理论比较并实验分析了高冗余FBG传感阵列的适用性与可靠性.研究结果表明,利用光开关在传感阵列支路之间的切换,使得FBG传感网络更具有冗余性.这一方面能够解决使用过程中多个部位出现故障导致的某些FBG传感模块无法被计算机检测到的问题,有效提高了传感系统的可靠性、容错性;另一方面为工程应用中结构健康监测以及特殊部位监测提供了一种有效可行的监测手段.     

一种温度自补偿的高灵敏度光纤光栅应变传感器

针对光纤光栅(FBG)应变传感器对应变和温度同时 敏感的问题,基于FBG传感原理以及环形结构受力变形特点,提出了 一种圆环式的FBG应变传感器,并进行了理论分析和传感器性能实验。传感器的 敏感结构是圆环,通过将 光栅粘贴在圆环竖向和横向直径方向,实现对被监测对象表面的应变监测。实验结果表明, 传感器的应变灵敏度为 3.76pm/με,线性相关度可达0.999 9,且 温度影响几乎被消除,可适用于受温度影响和精度要求较高的场所,尤其是 冶金铸造起重机的 监测。     

面向井下环境参量的光纤传感物联网系统

为了能够大范围准确获取井下环境参量并有效抑制噪声, 研究了基于新型光纤光栅(FBG)封装的光纤传感物联网系统。设计了一种可同时测试应变与温度的传感模块, 试制了新型FBG封装结构, 搭建了符合巷道结构的光纤应力监测分布网络。采用基于互相关差分计算的方法实现了对振动噪声的消除, 并对井下巷道的应力和温度进行了连续监测。结果表明, 拱段45°与60°的FBG可以准确记录应力、温度变化数据。该系统在大范围井下环境参量监测中具有更高的稳定性、更好的适应性。     

基于埋入式FBG风力发电机桨叶复合材料监测

随着科技的进步,传统的表贴式光纤光栅已无法满足对风力发电机组监测的需求。因此,本文提出了一种基于埋入式光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感网络的风力发电机桨叶碳纤维复合材料损伤监测方法。首先,通过创建碳纤维复合材料试验件的三维模型,并进行有限元仿真,确立了FBG的布点位置。然后,将FBG埋入试验件,并进行力学性能试验,以监测各传感点的应变数值和相关损伤情况。最后,对试验件进行超声波无损探伤验证。实验结果表明,埋入式FBG能够实时动态监测碳纤维复合材料内部的损伤情况,为风力发电机组的结构健康监测积累了经验。     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

基于RSSI加权质心的光纤光栅传感网络冲击定位

针对材料结构损伤位置识别的精确定位问题,通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络,利用光纤光栅传感器的传感特性,根据感知的冲击响应信号强度(RSSI)以及冲击点到传感器距离的关系,提出一种基于RSSI加权质心的光纤光栅传感网络冲击载荷定位方法。设计合理的传感器网络监测布局,通过分析不同位置传感器感知的冲击响应信号强度辨识冲击点所在的区域,采用加权质心定位算法对冲击载荷的位置识别定位。试验表明:分别构建基于碳纤维复合材料结构板、钢板、木板损伤识别模式的定位监测实验系统,在300mm×300mm的监测区域内随机选取24个冲击点进行位置识别,能准确辨识所有实验冲击点所在的区域,并根据RSSI来确定冲击点的位置坐标,坐标定位的平均误差在15mm以内,可实现对冲击点位置的识别,为准确识别材料结构的损伤位置提供了一种实用可行的方法。     

基于FBG的机翼盒段结构健康监测系统功能验证研究

光纤布喇格光栅(FBG)传感器因其具有抗电磁干扰,质量轻,可多路复用等优点,在结构健康监测领域有广泛的应用前景.国内在航空结构的健康监测领域研究中,对FBG传感器的应用研究均集中在实验室小尺寸试件上进行,该文在某型无人机大型碳纤维复合材料机翼盒段实验件上布置了34个FBG传感器组成FBG健康监测系统,在机翼盒段的强度测试中对其进行了在静态扭转和弯曲载荷下的在线实时应变分布监测,并将其与传统应变片测得的数据进行对比,得到了好的吻合性.该文还针对FBG的该应用,对其粘结剂的选取和标定方法进行了讨论.     

表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用

报道一种表面安装式光纤布喇格光栅(FBG)应变传感器及其在高速公路高架桥的车辆载荷压力试验中的应用。提出了一种具备应变放大能力且可调节的不锈钢封装的应变感测弹性结构,布设有FBG的弹性圆筒结构位于传感器中间部分,其横截面积小于传感器其他部分,传感器的应变测量放大系数可通过改变圆筒结构的长度和横截面积来调节。将24个经过测试标定后的应变传感器和6个FBG温度补偿传感器安装在甬台温高速吊水沿大桥箱梁底部,并对大桥实施一系列车辆载荷作用下的静态和动态试验,传感器表现出了良好的测量能力,3种静态载荷工况下的桥梁底部应变大小以及3种动态载荷工况下的应变变化情况被清晰地展现出来,理论分析与实验结果一致。     

光纤光栅和静态电阻在静压模型管桩测试中的对比试验研究

为了提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin g,简称FBG)应变传感器测量精度,针对光纤光栅传 感器在模型管桩试验应用情况,提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系 数应变标定方 法。该方法通过实验标定微型光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,与理论分析传感器灵敏度 系数进行对比, 同时在模型管桩安装传感器位置粘贴应变片。实验结果表明,标定后的FBG应变传感器测试 结果更加准确, 为基于FBG应变传感器的模型管桩监测技术奠定了基础。同时,该方法适用于FBG传感器应 用与模型管 桩前的标定,可以得到准确反映模型管桩受力变形的真实数据,提高了光纤光栅传感器在模 型管桩试验中 的测量精度。同时,该方法简单、易操作,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基 础,加快了FBG 传感器在模型管桩荷载传递监测应用的步伐。     

内置光纤光栅传感器的智能索可靠性研究

将特制的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器局部布置于缆索连接筒部位的外层钢丝上,成功实现可对自身索力及温度进行实时在线监测的智能缆索.需进一步对智能缆索内置传感器可靠性进行研究.模拟缆索上桥所受交变应力荷载情况,按照国家标准GB/T18365-2001中疲劳性能要求对智能缆索进行疲劳,研发的智能缆索满足国标中疲劳和静载性能要求;智能缆索在200万次疲劳过程中及200万次疲劳后,其内置的光纤光栅传感器的传感信号均有效.     

光纤F-P腔高灵敏加速度传感器理论模型研究

以提高光纤波长复用型加速度传感器的灵敏度为目标,分析光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器的增敏思路,阐明FBG加速度传感器灵敏度的增敏瓶颈和固有制约因素,提出波长复用型光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, F-P)加速度传感器物理模型,理论研究其加速度传感原理,推导加速度传感器谐振频率和灵敏度的解析表达式,深入分析系统的结构体刚度、干涉级次、腔长对加速度传感器灵敏度和谐振频率的影响因素,并对比分析在不同系统刚度下FBG和F-P加速度传感器的灵敏度响应特性。由于灵敏度与谐振频率相互制约,进一步引入品质因子对比分析FBG和F-P加速度传感器的综合性能。在谐振频率为205 Hz时,传感器灵敏度高达198 nm/G,比基于FBG的传感器灵敏度理论上高出约2个数量级,并提出F-P型加速度传感器波长复用方案。理论分析表明F-P型加速度传感器与FBG型相比具有独特的优势,为光纤型加速度传感器的增敏和波长复用提供了新思路,并奠定理论基础。     

Recent progress in fiber-optic extrinsic Fabry–Perot interferometric sensors

Fiber-optic extrinsic Fabry–Perot (EFPI) sensors have been successfully used for a wide range of applications. The recent progress in EFPI sensors is reviewed in this paper. First, the optical amplification technology is adopted into the EFPI sensor system to enhance the interferometric signal considerably. Second, both spatial-frequency multiplexing and coarse-wavelength-division multiplexing technologies are demonstrated for multiplexing of a modified EFPI sensor called the Fizeau sensor. Finally, the EFPI sensor is integrated with other fiber-optic sensing elements to realize the measurement of multiple parameters, for example, the EFPI is integrated with the in-fiber Bragg-grating (FBG) or the long-period-fiber-grating (LPFG) to achieve simultaneous strain and temperature measurement. Furthermore, simultaneous measurement of displacement, transverse load, static strain, temperature, and vibration can be achieved by using the combination of EFPI/FBG/LPFG.     

光纤光栅振动传感器结构设计研究

传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。振动信号的检测在工业尤其在石油勘探方面有着重要作用。其中,基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的振动传感器具有诸多优点而备受关注。简单介绍了FBG振动传感器的原理,并根据结构类型对近几年研发出的FBG振动传感器进行了分类和总结。阐述了四种FBG振动传感器的优缺点,并重点对悬臂梁式和柔性铰链式结构的FBG振动传感器进行了总结。接着从三个方向对现有的FBG振动传感器进行了分析并提出了优化建议。最后对FBG振动传感器的发展做出了预测与展望。     

基于EFPI和FBG传感器的光纤智能夹层系统研究

以光纤自诊断系统为研究对象,围绕光纤智能夹层(FOSL)制作和标定中的相关理论及技术展开较深入的研究。采用聚酰亚胺薄膜制作了基于非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器和光纤布拉格光栅(FBG)传感器的FOSL。制作过程中,光纤传感器性能完好,FOSL的埋入对复合材料强度影响较小。在此基础上,对FOSL试件中的EFPI和FBG传感器进行了四点弯曲试验。试验表明,FOSL中,EFPI传感器的应变与载荷、FBG波长偏移与应变之间均具有良好的线性关系;在FOSL的制作中,可以选用EFPI和FBG传感器同时监测结构应变和温度。利用FOSL中的光纤传感器网络和先进信息处理技术,可以建立结构损伤主动、在线和实时监测系统。     

温度影响光纤光栅传感器性能蜕化机理及实验研究

结构健康监测中,光纤布拉格光栅(FBG)传感器性能蜕化将会严重影响整个监测系统的稳定性和准确性。而高温、高压等恶劣条件,均可能导致FBG传感器性能蜕化。基于光纤光栅传感器温度传感原理,分析了温度引起光纤光栅传感器性能蜕化的机理,并通过软件仿真和相应温度循环实验,分别考察了温度对不同FBG传感器性能蜕化的影响。实验结果表明,温度对FBG传感器性能蜕化的影响与FBG传感器自身质量参数有关。对于普通FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱峰值逐渐降低;而对于刻写完成后,光纤中仍含有少量氢分子的FBG传感器,随着温度循环次数增加,反射光谱不仅峰值逐渐降低,而且中心波长逐渐发生蓝移。     

一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用

提出了一种基于两端夹持封装技术的光纤光栅应变传感器.该传感器具有应变放大机制,测量精度超过了裸光纤光栅,而且通过改变封装工艺参数可以调节应变传递率.这种传感器既可以埋入结构中也可以通过辅助构件构成夹持式传感器.利用万能试验机对该传感器进行了应变性能标定实验,研究了不同基体材料上传感器的应变灵敏特件,并与理论分析结果作了对比.这种光纤光栅应变传感器在高层大厦模型地震试验中进行了检测.试验结果表明,基于两端夹持封装技术光纤光栅传感器具有良好的灵敏度、低噪、牢固可靠以及测量长期稳定性好的优点,是动载环境下工作的结构长期安全监测的理想器件.     

光纤光栅传感器在爆炸冲击测量中的应用

光纤光栅传感器(FBG)在侵彻及爆炸冲击测试技术中拥有广泛的应用前景。介绍了光纤光栅传感器的检测原理与关键技术,分析了光纤光栅传感器的动态响应时间及对于高频振动时的可测频率。与传统的爆炸冲击测量方法相比,光纤光栅传感器精度高,抗电磁干扰能力强,体积小,可实现分布式测量,在爆炸冲击领域拥有广泛的应用前景。限于光纤光栅解调技术即采样率发展的限制,光纤光栅传感器在爆炸冲击领域的应用处于起步阶段。介绍了光纤光栅传感器在霍普金森压杆上的应用。提出了当前急需解决的技术问题。