FBG传感器应变标定方法

为了提高光纤光栅应变传感器测量精度,针对光纤光栅传感器工程应用情况,提出了一种光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感器应变特性标定方法。通过理论分析和实验标定了封装式光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,对传感器理论与实验灵敏度系数误差进行了分析。实验结果表明,该方法简单、易行,用于光纤光栅传感器使用前的标定,可以提高基于光栅光栅传感器的测量精度和准确性。同时,该方法为光纤光栅传感器的工程推广应用奠定了基础。     

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...     

FBG式隔水管应变传感器的力学响应特性分析

针对深海隔水管应力监测所设计的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器系统,采用基于有限元方法的软件对传感器在不同载荷模式下的力学响应特性进行了分析,得到了该传感器的应变传递系数。并以仿真结果为依据,对隔水管所受最大应力和弯矩的公式进行了修正。为了获得合适的传感器应变传递系数,通过改变相应参数建立计算了不同的仿真模型,由此分析了弹性元件和固定钢管的弹性模量、长度和外径对它的影响。结果表明:弹性元件长度为调节传感器应变传递系数的最佳参数。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

超低温条件下光纤光栅温敏系数标定

为了解决超低温环境下光栅温敏系数标定的可靠性问题,将参考温度计探头和光纤布拉格光栅传感器封装在自主设计的非接触液氮冷却方式的测温模具中,在93～293 K的超低温环境下进行标定实验探究,并利用裸栅的温敏系数和涂层的热膨胀系数来验证本实验设计的可信性.实验结果表明,参考温度计的初始最大温变速率为1.8 K/min,有效降...     

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。     

基于柔性铰链的增敏型FBG加速度传感器

中高频振动信号的获取对被动源地震监测有着重要作用,针对中高频光纤光栅加速度传感器灵敏度低的问题,提出了一种带有2个惯性质量块的三铰链加速度传感器新型结构.采用2对光纤光栅差分排列的方式,使灵敏度是单光纤光栅的2倍,并能剔除温度变化带来的影响.从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式,并讨论了结构参数对传感器灵敏度和谐振...     

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%。     

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。     

新型应变筒式光纤Bragg光栅压力传感器

设计并制作了一种基于弹性应变筒式光纤布拉格光栅压力传感器,通过对传统结构进行优化,即弧形筒身设计,避免了应力梯度的存在,使筒身受力均匀,同时增大了应力响应范围.使用参考光栅进行温度补偿,解决了交叉敏感问题带来的影响.通过对应变筒几何尺寸和材料的改变,达到具体测量所需传感头的参数.实验以普通不锈钢材料为基体,测量范围0～30 MPa,压力灵敏度达到0.033 nm/MPa.使用该结构可用于液体和气体的高压测量.     

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。     

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。     

FBG旁瓣对复用解调的影响及旁瓣抑制方法

基于FBG应变传感器的解调原理,分析了光纤布拉格光栅串联复用时反射谱旁瓣对解调结果的影响,通过理论推导及模拟仿真,发现FBG传感器性能蜕化时存在反射谱的带宽变大、峰值降低以及旁瓣增大等现象,并且详细分析了反射谱旁瓣以及链路连接损耗对FBG复用解调结果产生的影响,针对这个问题,提出了利用浮动解调阈值以及抑制反射谱旁瓣的解决方法,最后,通过实验证实了相关理论的正确性与方法的可行性,极大地提高了应变测量结果的准确性。     

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。     

微型FBG应变传感器在大坝模型实验中的应用

为了对大坝的地震安全性能进行准确可行的评价,在大坝模型实验中应用了自行开发的微型光纤光栅(fiber bragg grating,简称FBG)应变传感器.通过分析FBG应变传感器在每级地震作用下产生的残余应变、峰值应变,得到大坝的内部变形和裂缝发展情况,进而对大坝的地震安全性能进行评价.实验结果表明,该传感器能够及时准确地监测大坝模型在地震荷载作用下内部混凝土变形以及开裂情况,对结构的损伤进行识别和预警.通过对比有筋坝段和无筋坝段的变形和开裂情况得知,在模型的薄弱位置布设钢筋可以有效抑制裂缝的产生以及发展,提高大坝的抗震性能.     

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。     

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。     

基于FBG的明渠流量计的研究与应用

研制了一种新型的菱形结构光纤Bragg光栅应变传感器.采用有限元方法分析了该结构的力学性能.将该传感器与巴歇尔槽联合使用,用于液体流量的实时在线监测,实验研究了这种封装形式的应变特性.采用光纤布拉格光栅网络分析仪,测量了菱形应变化传感器的波长和应变变化量,测得其应变系数为630.45 mm/nm,且线性度达到0.999 8.     

基于FBG传感器的冲击损伤定位

针对复合材料冲击损伤,提出了一种基于光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,简称FBG)网络的定位方法,该方法仅依据冲击期间FBG测得最大应变和FBG的相对位置,即可对被测结构进行损伤定位,并在某飞机使用的复合材料层板上进行了试验验证.试验结果表明,FBG监测的位置和实际冲击位置的最大定位绝对误差约为3.34cm,5个冲击点的平均定位误差仅为1.26 cm.该损伤定位方法所需参数少、快速且简便易行,其识别精度满足工程实际要求.     

闪耀光纤光栅的应变特性分析

通过理论分析建立了闪耀光纤光栅的数学模型,并对闪耀光纤光栅的应变特性进行了实验研究.理论和实验表明,闪耀光纤光栅具有很好的应变灵敏度,达到了1.393nm/N.