基于分布式光纤的蜂窝夹层结构脱粘损伤监测

航空航天蜂窝夹层结构服役环境恶劣,需要发展相应的结构健康监测技术以保证结构的安全运行。脱粘损伤因发生在内部胶层而难以监测,该文采用埋入胶层的分布式光纤传感器对蜂窝夹层结构脱粘损伤进行监测。在预埋损伤监测试验中采用高强光纤和边界浅槽的方式提高传感器存活效率,得到脱粘损伤应变特征。采用参数化建模方式对不同损伤位置进行大量有限元模拟,加入白噪声后得到含有脱粘损伤特征的13 500组数据。将模拟数据代入卷积神经网络进行训练,训练后的网络对试验损伤数据的识别准确率达到98.84%。该方法能够识别20 mm2 脱粘损伤,同时定位平均误差小于4 mm。     

基于FBG的复合材料/铝合金胶接固化监测研究

在航天结构中,复合材料与金属材料的胶接过程与胶接效果评估对于保障航天器运行安全至关重要,提出了利用分布式光纤光栅传感器对复合材料与铝合金的胶接固化过程进行监测。根据复合材料/铝合金双层结构特点及其固化工艺,分析了胶接固化过程中引起胶层应变变化的相关因素。研究了光纤光栅传感器布局方案及温度补偿措施,给出了胶接固化过程中的光纤光栅温度补偿传感器封装方法。在此基础上,构建了基于光纤光栅传感器的复合材料/铝合金结构胶接固化过程监测系统,实现对胶接固化过程的监测。研究工作对于改进航空航天结构复合材料胶接方法,实现对胶接过程与时效性的在线监测具有重要意义。     

基于分布式光纤传感的防热结构损伤识别研究

防隔热结构已大量应用在工程中,其健康状态对结构安全至关重要。为了监测隔热层粘接结构的健康状态,该文提出了一种基于分布式光纤传感器的防热粘接结构的损伤识别和监测方法。利用有限元法对带损伤试件承受弯曲载荷的过程进行了数值模拟,通过模拟的应变结果确定含有脱粘、裂纹两种损伤试件的应变趋势,作为判断结构失效的分类依据。通过对带有脱粘和裂纹缺陷的试件进行实验识别并定位损伤位置,监测试件的健康状况。研究结果表明,根据结构受载状态下的应变趋势可以判断试件是否发生脱粘或裂纹损伤,从而实现对结构的健康状态监测。     

太赫兹时域光谱技术检测复合材料与金属的脱粘缺陷

基于太赫兹时域光谱技术,提出应用太赫兹脉冲成像技术检测胶接结构中的脱粘缺陷,研究泡沫材料PMI与钢板胶接结构脱粘缺陷的检测。实验采用反射模式,分别对粘合部分与脱粘部分进行数据测试,对比分析发现数据在时域和频域范围均有明显区别。对待测样品进行二维扫描,应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值对待测样品进行成像。研究结果表明基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹脉冲成像技术能够检测出泡沫材料PMI与钢板胶接结构的脱粘缺陷;应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值进行成像的结果,均可以分辨出样品的脱粘缺陷;不同的数据信息的成像效果不同。     

表面式光纤布拉格光栅传感器应变传递机理的研究

建立了组合梁与光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变传递的力学试验模型,得出组合梁结构实际应变与表面式光纤布拉格光栅传感器应变的关系。对影响表面式光纤布拉格光栅传感器平均应变传递率的影响因素进行了理论分析,得出胶接层弹性模量,胶接层的宽度以及光纤的粘贴长度对应变传递率影响较大,通过实验确定它们之间的最佳组合,为以后的实际工程应用提供了参考。     

基于梯度阈值的太赫兹时域信号自适应稀疏算法

胶接结构广泛应用于航空航天等国防领域,但在工艺制作及使用过程可能会产生胶接界面脱粘缺陷和损伤,由于太赫兹无损检测技术对非金属材料良好的穿透性能,已被广泛应用于复合材料的无损检测中,太赫兹无损检测技术在多层胶接结构样件胶层内部缺陷的无损检测方面具有较大优势。利用反射式太赫兹时域光谱系统检测多层胶接结构样件,得到的具有样件内部材料信息的太赫兹时域信号,但信号中还包含了大量的冗余特征和噪声等无效信息,这些无效信息大大降低了信号处理和分析效率。针对这一问题,文中提出了基于二阶梯度法提取太赫兹时域信号有效特征,以飞行时间误差为限制条件基于信号的时域特征自适应确定阈值,稀疏太赫兹时域信号,减少信号中冗余无效信息,实现太赫兹时域信号的有效压缩。然后,通过二值化图像分割识别多高斯恢复信号和太赫兹时域光谱系统检测信号的太赫兹图像缺陷区域。最后,制备具有脱粘缺陷的多层胶接结构样件,开展太赫兹无损检测实验。结果表明：文中算法的数据压缩率达到了81%,相比传统压缩算法离散余弦变换提高了59%,相比主成分分析算法提高了75%,相比K-SVD字典学习算法提高了26%,缩短了约80%的数据计算时间,减小了约95%数...     

基于光频域反射技术的光纤传感网络研究

研究基于光频域反射技术的光纤传感网络,提升待监测对象温度与应变的测量精度。在光频域反射技术基础上引入光纤Bragg光栅技术,构建具有分立式与分布式的两层混合式光纤传感网络;分立式光纤传感网络层利用光纤Bragg光栅技术解调光栅放射光中心波长变化量,获取待监测对象温度值;分布式光纤传感网络层通过计算光纤瑞利散射的光谱平移量实现应变的连续分布式传感,利用频域干涉测量法,计算光纤传感器中心波长变化量,获取待监测对象应变值。同时两层混合式光纤传感网络利用傅立叶插值后的互相关法提高光谱平移量的光谱分辨率,提升光纤传感网络的测量精度。实验证明:所研究光纤传感网络测量的中心波长值与实际温度值、应变值拟合程度高,测量精度高。     

光纤光栅CFRP混凝土复合拱裂缝监测实验研究

针对碳纤维复合材料(CFRP)混凝土复合拱裂缝监测问题,尝试了使用裸光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器监控CFRP混凝土复合拱初始开裂。从力学角度分析并确定粘贴位置,并对点粘和满粘(点粘是指只粘贴栅区两端点,而满粘将胶涂满整个栅区)两种不同粘贴方法开展研究。对比光纤光栅和应变片测量数据,验证光纤光栅测量应变的准确性和稳定性。运用K值标准差准则,将开裂规律定量化。实验结果表明通过合理布设光纤光栅,可以监测结构的初始开裂,并且光纤光栅和应变片测量数据具有较好的一致性。     

分布式光纤传感器的应变测量方法及其应用

基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器是对应变、温度耦合敏感的高分辨率传感器。针对应变测量方面,研究对比了分布式光纤传感器及电阻式应变片在应变测量方法上的区别。通过钢板单向拉伸试验,分别从测量精度、线性度及可重复性等方面研究对比了分布式光纤传感器及电阻式应变片的测量数据。通过非等厚度悬臂梁弯曲试验,分析分布式光纤传感器在应变测量方面的优势,并借助于分布式光纤传感器的应变测量数据,重构结构表面应变场。     

分布式光纤传感技术在蜗壳模型试验中的应用

分布式光纤传感器与传统应变片和光纤光栅传感器相比,具有分布式测量的显著特点,成为传感器领域的研究热点。随着技术的进步,基于瑞利散射的光频域反射技术(OFDR)得到了迅速的发展。该文介绍了OFDR的测量原理,并将分布式光纤传感器应用于蜗壳模型试验中。为检验蜗壳充水后的变形规律,检查蜗壳和混凝土的整体安全性和设计的合理性,对蜗壳试验过程中外围混凝土应变进行监测。通过分布式光纤传感器在每级水压加载下产生的应变,获得蜗壳模型外部变形以及裂缝发展的情况。实验结果表明,分布式光纤传感器能够真实地反应结构物的应变分布,及时准确地监测蜗壳模型在加压作用下混凝土变形及开裂情况,对结构的损伤进行识别。     

基于光纤智能夹层的损伤检测系统

介绍了基于光纤智能夹层的损伤检测系统以及该系统的两个关键技术:光纤传感器与材料结构集成以及与静载荷损伤检测算法。标准化、模块化的光纤智能夹层是光纤智能夹层解决了光纤传感器与结构集成的一种实用方法。用聚酰亚胺光制作的纤智能夹层便于存储、运输和埋置,并且可以很方便地埋入或粘贴材料结构,埋入结构对结构的强度和传感器的灵敏度影响不大。为了适应Bragg光栅解调仪的解调速度,本系统采用基于静载荷损伤识别算法。该算法只要求使用结构应变参数,并不需要使用挠度、位移等参数;不需要建立结构的有限元模型;不需要使用优化算法。因此,该算法具有高效、成本低的优点。所设计的软件通用性好,可应用于不同结构和不同类型的损伤。该系统应用于机翼盒段,并成功地实现对盒段上螺钉松动的检测。     

A strain sensor using twisted optical fibers

A sensor using twisted optical fibers to detect the strain distribution along the length of an object is discussed. This sensor is based on the optical loss due to fiber curvature. The distributed strain along the sensor axis is converted into distributed optical loss. The relation between the strain and optical loss is theoretically derived and experimentally confirmed for uniform tensile strain. The dependence of the sensor characteristics on sensor structure and fiber parameter are also shown. Measurement of the strain applied to fibers in an optical cable is also discussed     

船用输热管道及保温层的红外热像无损检测研究

针对红外热像仪检测船用保温层的内部和外部缺陷及管道漏泄进行了实验研究；研究了缺陷和漏泄的可检测性并对其影响因素进行了分析，并对某舰用锅炉系统的管道进行了实际的检测。结论为：保温层细微的外部缺陷都可以被检测到，而内部缺陷受距表面深度的影响较大，越深越不容易被检测；由于空气的导热系数和保温层的导热系数相差不大，一旦发现有内部缺陷应予以足够的重视；裸金属管道表面漏泄的检测主要是基于水和管道表面发射率的差异而不是温差。带有暖气管道保温层的管道的漏泄比较容易检测到。实际检测研究证明了红外热像仪应用于与船用输热管道漏泄及保温层缺陷检测的可行性。     

压电纤维复合材料有限元模拟及其试验研究

考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自由应变和阻滞力的数值测试,数值上验证了有限元模型,修正纤维纵向压电应变常数d_(33)。对含有MFC驱动器的铝合金悬臂梁进行数值和试验研究,验证了该模型的准确性。与细观尺度上的MFC有限元模型相比,该有限元模型节约了计算成本,可应用于实际工程中。结果表明,MFC激励法用于振动特性分析时,操作简单,重复性好,信噪比高。     

一种拉杆式的光纤光栅应变传感器

提出了一种拉杆式的光纤光栅应变传感器,并进行了理论分析和传感器标定实验研究。传感器由悬臂梁组成弹性系统,将光纤粘贴于悬臂梁内锥形孔内,利用拉杆传递监测对象表面应变变化。实验结果表明,传感器的应变灵敏度为1pm/με,线性度为0.994;温度灵敏度为16pm/℃,线性度为0.996。可应用于高精度要求下的应变测量。     

基于双材料悬臂梁的光纤光栅应力与温度传感器

设计了一种新型的悬臂梁结构,采用单根光纤Bragg光栅(FBG)实现温度和应力同时测量的传感器方案.传感器使用了由两种有机聚合物材料加工成的等强度悬臂梁,解决了FBG应用于压力和温度测量时的交叉敏感问题.传感器在压力和温度同时作用下,FBG反射谱分裂成双峰结构.通过测量反射谱中的双峰峰值波长达到温度与应力同时测量的目的...     

Optical fiber hydrogen sensor based on light reflection and a palladium-sliver thin film

Thin alloy films of palladium(Pd) and silver(Ag) are deposited onto glass substrates via the direct current(DC) magnetron technique.The hydrogen sensor probe consists of optical fiber bundle and Pd/Ag optical thin film.when the sensor is exposed to hydrogen,the refractive index of Pd/Ag optical thin layer will diminish and cause attenuation changes of the reflective light.It is observed that the thickness of Pd/Ag alloy layer can affect the hydrogen sensor signal.Under different substrate temperatures,several Pd/Ag samples are coated with different thicknesses of Pd/Ag alloy,and the results of a hydrogen sensor based on reflective light from the Pd/Ag alloy thin film are discussed.