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。     

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。     

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。     

光纤布拉格光栅压力增敏机构

本文基于光纤布拉格光栅压力传感模型,系统地阐述继M.G.Xu等人的空心玻璃球FBG增敏机构之后的几种光纤布拉格光栅压力传感增敏装置的结构和原理,并对其优缺点、性能指标等加以比较。     

行星齿轮箱齿根应变的光纤光栅测量方法

针对行星齿轮箱故障诊断的需求,以及内齿圈齿根应变难以准确测量的工程实际问题,提出了一种光纤光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)动态测量内齿圈齿根应变的方法。首先,通过理论分析,仿真计算得到了内齿圈齿根应变的分布曲线以及变化曲线;其次,研究了光纤光栅在非均匀应变场作用下的传感原理,从测点布置以及测量系统构建等角度分析了所提出的测量方法;最后,在行星齿轮箱实验台上开展了内齿圈齿根应变的测量实验。实验与仿真结果对比分析表明,利用所提出的测量方法获取的内齿圈齿根应变信号表现出明显的单、双齿交替啮合区间,且每个区间的范围以及各区间下齿根应变的大小与理论计算结果具有较好的一致性。与传统方法相比,该方法更加适用于行星齿轮箱内狭小空间下齿根应变的在线测量任务。     

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。     

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。     

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。     

啁啾光栅解调的FBG传感阵列系统研究

本文针对分布式Bragg光栅测量系统解调速度慢的问题,利用Bragg光栅在均匀啁啾光栅中产生时延的线性关系,提出负载波相位调制技术和啁啾光纤光栅相结合的方法,将波长变化转变为相位变化实现波长信号的解调.实验表明该解调方案有效可行,且可获得较高的测量精度和响应速度.     

应用CWDM实现FBG传感解调的研究

本文利用粗波分复用器（CWDM）的传输特性与波长的关系，提出了一种FBG传感解调方法并建立了实验系统。通过理论分析计算，得出系统的输入／输出之间的关系，并进行了实验验证。系统的波长解调范围为4nm左右，在没有进行光功率补偿的情况下，根据实验数据的分析计算，方差最差的情况下σmax=4pm。本系统在对分辨率要求不高的工程实际中的动态解调有着广泛的应用前景。     

Effect of dispersion compensation on FBG sensing systems’ performance

This paper introduces the use of a fiber-optic communication system for interrogation and transmission of data from fiber Bragg grating (FBG) sensors. Signal coding and dispersion compensation methods, usually used in communication systems, are used to improve the sensing system’s performance. Moreover, communication system parameters are used to assess the improvement in the FBG sensing performance. This is done through the determination of the profiles of Q-factor and eye diagrams. The sensors considered in the simulations are strain sensors subjected to a wide range of strains. The results obtained show a clear improvement of the sensing system with symmetrical compensation. The proposed method is suitable for applications where fiber-optic links are available near both the sensing location and information-collection and-processing unit, even if these two are hundreds of kilometers apart. A good example of where such a system can be applied is the oil industry. The rigs are usually very far from headquarters, but both might be close to a fiber node. Published in Russian in Pribory i Tekhnika Eksperimenta, 2006, No. 3, pp. 115–118. This text was submitted by the authors in English.     

基于感知信息的车间动态排产方法

为解决车间排产实时性不高的问题,构建了基于感知信息的动态排产业务模型、数据模型和计算模型,提出了基于感知信息的车间动态排产方法,开发了动态排产方法的验证系统,以复合材料生产车间为背景进行验证,结果表明:该方法能够实现基于车间生产情况的制造资源与工序的智能匹配、工时自动计算和排产方案的计算生成,为后续车间动态排产系统的研究及实际应用提供了参考。     

基于Bragg光纤光栅的三维加速度传感器的研究

S.R.K.Morikawa等人提出了基于光纤光栅的测量空间三维加速度的方法[1],基于该系统的传感头,本文理论上分析了三维空间加速度测量的数学模型,推导了三维加速度在某一轴上的分量和质量块在该方向的位移之间的关系和质量块在该方向的位移与该方向上的两个光纤光栅中心波长变化的差值之间的关系.证明了传感头的横向效应和温度对测量的影响均很小,可以忽略.     

基于改进 EMD 方法的 FBG 传感网络光谱基线校正研究

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感网络中,由于环境条件导致的光谱信号基线漂移问题,本文提出一种基于改进经验模态分解(EMD)的光谱信号校正方法。用该方法对仿真数据处理,处理后光谱可通过设置阈值划分出各FBG反射峰区,验证了改进EMD方法的可行性。通过实验采集在光纤通路损耗及端面反射影响下、产生基线漂移情况的FBG传感网络光谱信号,并使用改进EMD法、小波软阈值法和惩罚最小二乘法进行实时的光谱校正处理,运用高斯非线性拟合法计算正常和校正后光谱的各FBG中心波长。结果显示,运用改进EMD法校正后计算的各FBG中心波长,传感信号存活率分别提高48.9%和61.6%,平均偏差和偏差标准差最小,分别为4.33、6.28和6.01、6.58 pm。该方法校正后的光谱信号能为物理量检测提供可靠信息。     

采用在线成型工艺的光纤光栅传感器

为了实现对光纤光栅的温度补偿功能,基于一种新型的热应力温度补偿机制,设计并制造出一种新型的、采用在线成型工艺的光纤光栅温度自补偿应变传感器,该传感器不仅具有温度补偿功能,而且可以实现应变增敏,解决了管式封装胶粘不牢、胶层老化的问题,以及温度补偿的传感器不能测量应变的问题。实验结果表明,在-20℃~40℃的温度变化范围内,传感器实现了良好的温度补偿和应变增敏效果;其中在实验温度范围内,光栅传感器的波长基本保持不变;应变敏感性为1.69pm/,增至原来的1.4倍,与理论计算值吻合的很好。     

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。     

粘接层弹性模量对光纤Bragg光栅传感器应变传递性能的影响

考虑光纤Bragg光栅(FBG)粘接层的材料特性会直接影响FBG传感器的应变测量精度,本文根据粘接层应变传递模型,结合应变传递系数K的表达公式,在确定粘接层结构尺寸参数的前提下,仿真分析了粘接层弹性模量对应变传递系数K的影响.分析结果表明,金属材料的应变传递效率明显优于有机胶的应变传递效率.进行了传递效果评价对比试验,...     

基于压缩感知的多角度观测光声成像方法

在光声成像过程中,由于各种限制因素,往往只能完成有限角度的信号采集.采集到的不完备的信号会在图像重构过程中产生伪迹现象,丢失细节信息.基于光声图像的稀疏特性,提出了基于压缩感知的光声成像算法.该方法通过2个单阵元超声探测器成角度采集光声信号,然后基于压缩感知重构算法进行光声图像重建并进行融合处理.仿真证明采用多个角度观测,选用合适的探头分布角度和测量矩阵可以有效弥补远场成像分辨率和减少测量次数,消除光声图像的伪迹现象,最终实现以较少的数据量和较简单的硬件设备实现高分辨率光声成像.