基于光纤布拉格光栅(FBG)原理的三坐标测量机测头结构

介绍了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的三维测头。FBG的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器,布拉格波长方程为λB=2neΛ。外界应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期Λ和纤芯折射率ne,并且FBG对轴向应变特别敏感。本测头采用三根竖直放置均布于圆柱面内的FBG,FBG的上端固定在一个固定架上,下部与一个支架连接。支架通过三根钼丝悬挂在内,测杆也固定在这个支架的中心,支架能够随测针一起自由偏摆。测杆与被测件接触时发生偏转,支架把偏摆量转化为对FBG的轴向应变,从而使FBG的布拉格波长变化。本测头传感系统采用匹配光纤光栅滤波的解调方式,选用四根参数一样的光纤光栅(其中三根做传感光栅,一根做参考光栅)。宽带光源经过耦合器进入传感FBG,从传感FBG反射的光经过耦合器进入匹配FBG,用高精度探测器测量匹配光栅的反射能量。当测杆偏摆时,传感FBG的布拉格波长受应变的影响而变化,从而使参考光栅反射的能量发生变化。本文主要介绍这种自主研发测头的结构分析,传感系统。     

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。     

5MN光纤布拉格光栅力值传感器

针对山体滑坡中大力值监测的应用需求,提出了基于光纤Bragg光栅(FBG)的5 MN力值传感器。该传感器采用8根FBG构成4组光栅偶对圆柱弹性体的应变进行采集,光栅偶能有效地补偿温度对FBG尺寸的影响。通过ANSYS数值模拟计算并优化了圆柱弹性体的结构尺寸,并按照国家规程进行了传感器检定实验。实验结果表明,该传感器的直径为124mm,长度为302mm,应力测量范围为500~5 000kN,综合精度为1%,最大力值对应的波长变化为2 567pm,灵敏度为2kN/pm。该传感器除具有光栅传感的基本特点以外还具有结构简单、量程大、精度高等优点,不仅适用于滑坡力值监测,还适用于建筑、化工、煤矿、军事等领域的力值监测。     

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。     

基于布拉格光纤光栅的碳纤维壁板损伤监测研究

针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,提出使用光纤布拉格光栅测量结构应变场分布,通过神经网络判别结构损伤的方法,对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究了损伤对机翼盒段壁板结构应变场的影响,研究结果表明,光纤布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中,采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。     

基于光纤布拉格光栅的压力蒸汽灭菌器气体质量监测

基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的灭菌全过程物理参数实时动态监测系统,提出基于聚酰亚胺涂覆的FBG(Polyimide-Coated FBG,PI-FBG)对灭菌器气体的质量进行监测,研究其可行性和监测方法.评估PI-FBG的温度稳定性及温度灵敏度,通过考查合格灭菌器排气期和干燥期传...     

基于ARM的新型光纤智能监控系统

设计了一种光纤传感智能健康监测系统,该系统利用32位ARM芯片LPC2214作为检测控制核心,一方面对经放大光电转换和放大后的信号进行采集、A/D变换、液晶显示控制,判断结构体的损伤位置,进而蜂鸣报警,另一方面利用其网络接口与上位机进行通信,在上位机利用VB编写软件程序,创建光纤传感智能结构的健康日志,对结构体健康状况变化进行二维、三维显示.实验表明:利用该系统能快速准确地对结构体的状态进行损伤位置判定等健康监测,与传统的结构体检测系统相比,该系统具有判断及时准确、光路切换稳定方便、便携以及远程控制等特点.     

基于FBG光纤光栅薄膜温度传感器的研究

基于FBG光纤光栅的温度传感原理，采用薄膜的多层膜系分析方法建立了FBG光纤光栅薄膜传感器的理论模型，并利用光学薄膜中心波长随温度呈线性变化制成温度传感装置。计算表明，当薄膜与基片的热膨胀系数相同时，薄膜的温度传感系数与FBG的相当。实际测得所用膜系的温度传感系数为0．017nm／℃．     

光纤光栅传感网络应用于环氧树脂固化过程监测的试验研究

光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器由于体积小、信号稳定、与复合材料的相容性好等优点,近年来成为监测复合材料固化过程的首选传感器.本文根据FBG传感器的波分复用技术,形成FBG传感器网络,将该传感网络埋入环氧树脂中,实现了对环氧树脂基板固化过程中树脂温度和残余应变的变化情况的监测,为利用FBG传感网络监测复合材料固化过程提供重要的实验基础.     

基于光纤布拉格光栅的化学传感器

除掉光纤布拉格光栅的包层,可以使它的布拉格波长对外界环境的折射率变化敏感。采用氢氟酸腐蚀掉光纤布拉格光栅的包层,获得了直径约为6 μm的布拉格光栅。实验研究了布拉格波长对化学溶液的浓度敏感性特征,结果表明:采用10 pm分辨率的光谱仪,丙二醇溶液在低浓度时的浓度分辨率为0.7%,在高浓度时的分辨率为0.32%;糖溶液在低浓度时的分辨率为0.55%,高浓度时为0.1%。采用商用的分辨率为1 pm的高精度波长解调系统,它们的分辨率可以提高一个数量级。     

工程化光纤光栅液体压力传感器的研制

液体压力是流体压力管道结构的重要荷载,传统的液体压力传感装置无法满足长期监测对其稳定性与耐久性的要求.基于双光纤光栅感知原理,针对某重点工程项目的环境条件,设计开发出了一种满足工程应用需求的液体压力传感装置,给出了详细的理论分析,并通过大量的标定试验分析了该装置的传感特性,理论与实验数据吻合很好,相差小于3％.根据随机抽取的100个传感器的标定数据,采用统计分析方法得到了该类传感器的各性能指标:测量范围0～2.5 MPa,分辨率＜0.4％F·S,迟滞＜2.4％F·S,重复性＜2.3％F·S,线性度＜2.1％F·S,总精度＜4％F·S,结果表明该传感器具有温度自补偿、线性度和重复性好、精度较高等优点,适合压力管道结构液体压力测试,具有良好的应用前景满足实际工程需要.     

用于复合材料蒙皮的FBG正交传感网络研究

为了实现对复合材料蒙皮的结构健康监测与损伤识别,本文在对光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器理论分析的基础上,结合CFRP材料特性和波分复用技术设计了一种由16个FBG传感器构成的光纤光栅正交传感网络布局,对碳纤维复合材料(CFRP)蒙皮进行相关准分布式传感网络研究。通过对复合材料中心位置进行逐级加载实验,并提取中心波长漂移量做相关性分析,证明了正交对称FBG传感网络对CFRP蒙皮进行结构健康监测的可行性,同时对称布局位置处的FBG传感器信号具有高度相关性质,相关系数可高达0.9996。实验结果为进一步研究准分布式FBG网络的位置布局优化以及传感网络的可靠性冗余设计提供了依据。     

基于CLPG的FBG监测系统及其应用

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统.该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反射光功率会发生变化,通过对FBG谐振波长处光功率的探测,从而实现FBG传感信号的监测.监测系统具有结构简单、成本低、解调速度快等优点.利用该监测系统对某型可变体机翼进行结构健康监测,结果表明该监测系统的应变分辨率为2με,实验结果与有限元分析结果相符,最小误差仅为3.27％,表明该监测系统能够用于可变体机翼的结构健康监测.     

Extraction and processing of real time strain of embedded FBG sensors using a fixed filter FBG circuit and an artificial neural network

Fibre Bragg Grating (FBG) sensors have been used in the development of structural health monitoring (SHM) and damage detection systems for advanced composite structures over several decades. Unfortunately, to date only a handful of appropriate configurations and algorithm sare available for using in SHM systems have been developed. This paper reveals a novel configuration of FBG sensors to acquire strain reading and an integrated statistical approach to analyse data in real time. The proposed configuration has proven its capability to overcome practical constraints and the engineering challenges associated with FBG-based SHM systems. A fixed filter decoding system and an integrated artificial neural network algorithm for extracting strain from embedded FBG sensor were proposed and experimentally proved. Furthermore, the laboratory level experimental data was used to verify the accuracy of the system and it was found that the error levels were less than 0.3% in predictions. The developed SMH system using this technology has been submitted to US patent office and will be available for use of aerospace applications in due course.     

基于压电正交异性分布式AE技术的初步研究

将具有压电正交异性的的传感器(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,简称OPCM)作为结构健康诊断系统中的声发射传感器,通过传感器的连续分布方式和电路设计,增强了探测结构损伤的能力．并减少了测试仪器的通道数量,为实用的结构健康诊断提出了新的思路并建立了相关的理论模型。     

钢-BFRP复合筋混凝土柱试验与骨架曲线模型研究

为了研究钢-玄武岩纤维(basalt fiber reinforced polymer,简称BFRP)复合筋混凝土柱的抗震性能,以复合筋的纤维含量(等效配筋率)为主要参数,开展了4个钢筋与复合筋混凝土柱的抗震性能试验。试验结果表明,随着复合筋二次刚度比的提高,构件承载力也有明显提高,构件具有较为显著的屈服后刚度。在试验基础上提出了钢-BFRP复合筋混凝土柱骨架曲线理论模型,建立了骨架曲线特征点参数与结构特性之间的解析关系,该表达式能够综合考虑矩形构件截面尺寸、轴压比和复合筋本构关系及配筋情况等参数影响。该模型与试验结果吻合较好,对普通钢筋混凝土柱也具有较好的预测性,说明该理论模型具有一定的实用性和精确性,可实现利用杆系模型开展结构层次的建模,供混凝土框架结构非线性分析参考。     

声发射在复合材料贮箱上的应用研究进展

复合材料贮箱作为未来航天运载动力系统的关键部件,其结构的状态监测与性能评价是保证航天器安全运行的关键问题之一。声发射作为一种新型动态无损检测/监测技术为复合材料贮箱结构性能监测提供了一种行之有效的技术手段。本文以复合材料贮箱为背景,首先介绍了复合材料贮箱的失效模式及常见的健康评价技术;其次介绍了声发射检测技术的基本原理,并综述了声发射技术在复合材料贮箱损伤表征上的应用研究现状,最后讨论了声发射技术应用于复合材料贮箱的发展趋势及面临的挑战。     

基于虚拟仪器的桥梁远程状态数据采集系统

信息的采集和预处理是桥梁健康监测的关键,是健康诊断与评估的基础.根据某铁路桥梁结构健康监测的需求,开发了基于虚拟仪器技术的远程数据采集和预处理系统.该系统具有大量数据采集和实时预处理功能,远程传输和控制,数据实时显示和存储等功能.现场应用情况表明,系统具有实时性强、可靠性和准确性高、可移植性好等特点.本文对该系统的总体设计、软硬件实现技术、系统功能等方面进行了详细阐述.     

Structural health monitoring with fiber optic sensors

Optical fiber sensors have been successfully implemented in aeronautics, mechanical systems, and medical applications. Civil structures pose further challenges in monitoring mainly due to their large dimensions, diversity and heterogeneity of materials involved, and hostile construction environment. This article provides a summary of basic principles pertaining to practical health monitoring of civil engineering structures with optical fiber sensors. The issues discussed include basic sensor principles, strain transfer mechanism, sensor packaging, sensor placement in construction environment, and reliability and survivability of the sensors.