表面粘贴式光纤光栅传感器的动应变传递规律

通过理论分析,以基体承受正弦动态载荷为例,建立了表面粘贴式光纤光栅动应变传递模型,确定了影响参数;运用有限元仿真法分析了影响动应变传递的各个参数;通过实验分析验证了理论与仿真分析结果。理论与实验分析表明:振动频率、粘贴长度、粘贴厚度和粘胶中间层厚度是影响表面粘贴式光纤光栅动应变传递的主要因素,粘贴宽度对动应变传递率影响较小;激振频率远小于结构固有频率时,动应变传递率基本维持不变,实验动应变传递率为92%;激振频率达到固有频率之前,动应变传递率随激振频率增大缓慢增大;粘贴长度大于光纤光栅栅区长度的2倍时,传递率明显优于粘贴长度较短者,实验动应变传递率为92%。     

光纤光栅应变传感器光-力转换的非线性方程

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及弹塑性力学的基本理论,考虑环境-封装基体-粘接层(或涂层)-纤芯之间的轴向和径向弹塑性力学耦合机制,建立了光纤光栅应变传感器光-力转换的非线性方程。传感器样本光-力转换的计算与测试结果,均显示出非线性特征,且两者基本一致。所得结果还显示,粘接层的厚度变薄,在提高传感器光-力转换效率的同时,还会使出现光-力转换非线性效应的临界应变前移,因而扩大出现非线性效应的应变范围。据此,实际的传感器设计时,除考虑采用高模量的粘接材料外,还可利用光-力转换的非线性方程,通过粘接层厚度的调整,对传感器的灵敏性和光-力转换的特征进行均衡优化。     

基于光纤光栅的轮胎-路面三向力测量传感器设计

为实现轮胎-路面接触三向力的精确测量,以光纤光栅为敏感元件,设计出一种新的三向力测量传感器。传感器弹性体由3部分组成,通过在弹性体上粘贴3根波长不同的光纤光栅实现三向力的测量。运用SolidWorks simulation对这种三向力传感器进行了有限元分析和3个方向的受力验证实验。结果表明,在实验条件下这种传感器测量线性度达到99. 85%以上,F_x、F_y、F_z方向的载荷响应灵敏度为:12. 818、13. 131、5. 281 pm/N,最小精度为:0. 156、0. 152、0. 379 N,量程:F_x/F_y方向为-8～8 N,F_z方向为0～40 N,满足实际测量的需求。     

船用光纤光栅应变传感器开发与应用研究

为了保证船舶结构健康监测系统中应变量值的准确可靠,设计并开发了一种可校准的船用光纤光栅应变传感器。该应变传感器结构经过优化具有较高的精度,且具有可反复安装使用和可校准的特点。设计了光纤光栅应变传感器专用校准装置,其量值可溯源至国家长度基准。通过加载实验验证了该应变传感器的性能,实验结果表明该应变传感器的最大非线性误差为3.4με,重复性为3.1με,证明了该传感器具有良好的测量精度。在此基础上,设计船体结构模型,对传感器进行了静态加载实验,传感器测量数据与理论计算结果符合较好,在实验水池中通过模拟实际风浪环境进行了波浪载荷测试,结果表明研制的船用光纤光栅应变传感器具有较好的可靠性。所研究为工作为船舶结构在线健康监测中的应变测量技术的研究与应用提供了有效的技术手段。     

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.     

基底刻槽封装式光纤光栅传感器应变传递影响因素分析

光纤光栅传感器大多经过封装后粘贴于被测结构表面使用,而封装基底和粘胶的存在,导致结构的真实应变与光纤光栅感测值之间出现偏差。建立了基底刻槽封装的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;分别分析了基底的长、宽、厚和基底材料弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。结果表明,采用刻槽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底长度的增加而增加,随着基底的宽、厚和材料弹性模量的增加而减小,为光纤光栅刻槽封装提供定量的指导。     

基于应变传递理论的光纤传感器优化设计

联系传感器应用的作用机理,根据变形传递方式的不同,对工程中常用的光纤传感器进行了系统的归类分析。基于应变传递理论建立了应变传递系数与测量允许误差的关系,并以此为优化控制方程得到了满足工程测试精度要求的传感器最佳取值,给出了各类传感器具体的优化设计方法及优先设计指标。研究结果表明:基于应变传递理论的优化设计方法较适用于依靠界面剪应力传递变形的光纤传感器,其优先设计指标依次为粘贴(感知)长度、层间粘结强度、保护层弹性模量和半径、粘贴层厚度;端部扩径型传感器的优化设计则因其应变传递系数能较准确和便利地通过标定试验获取而不依赖应变传递理论,且无明显的优先设计指标。本文充分考虑了传感器工程应用的实际状态,以测试准确性为核心,从力学作用机理角度对传感器进行了较全面和系统的分析,其研究结果可以用于指导工程化光纤传感器的应用设计和标定测试。     

温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

光栅应变传感器

本文研制的光栅应变传感器,将高密度光栅(600线/mm)应用于力学参量的测量中。通过测得试件变形前与变形后正变光栅衍射点阵的偏移量,可逐点得到试件因载荷作用引起的面内应变、离面位移和刚体转动。利用CCD作为图象传感器,准确摄取试件变形前后光栅衍射点空间位置的变化量,通过接口电路送入计算机,可实现测量过程的自动化。     

工程化光纤光栅应变传感器的制作及其应用

分析了适用于动态应变测量的光纤光栅传感器所应满足的条件，并进行了相关实验。在实验的基础上，设计并制作了一种适用于工程化的光纤光栅动态应变传感器。对等强度水泥梁以及实际工程中的卢浦大桥等场合，用该光纤光栅应变传感器与传统的电阻应变片传感器进行了对比验证。实验结果表明，光纤光栅应变传感器具有很高的精度。     

用于假手指尖的光纤光栅触觉力传感器研究

针对现有假手触觉测量常用的薄膜压力传感器精度不佳、线性度差、迟滞性高等问题,研究了一种可安装于假手指尖的光纤布拉格光栅触觉力传感器。首先,通过传感单元的微小化结构设计,可以将施加的外力转化为光纤承受的轴向力;进而,通过有限元对传感器结构参数进行优化,提高了光纤光栅对于压力的灵敏度;然后,围绕假手指尖应用的需求,制作了这种光纤布拉格光栅触觉力传感器;最后,对该传感器进行了性能标定、对比分析和应用抓取3个实验分析,实验结果表明:该传感器压力灵敏度为0.103 8 nm/N,线性度R~2为0.998,重复性误差为1.32%和迟滞性误差为2.19%;与现有的薄膜压力传感器对比,该传感器的线性度和重复度都更高,迟滞性更低。     

光纤传感器埋入沥青路面基体的应变传递误差

介绍了光纤传感涉及的应变传递理论,基于该理论建立了基体和感知光纤应变的定量关系,以消除应变传递误差,提高测试精度。针对埋入式光纤传感器用于高黏度的柔性沥青路面基体的最普遍形态,建立了含感知光纤、封装层和基体的典型三层力学模型。采用Goodman假设描述层间剪应力关系,引入傅里叶级数法求解微分方程,建立了基体和感知光纤的平均应变传递关系。通过室内试验论证了推导的应变传递理论公式的有效性,并对影响平均应变传递效率的几何参数和材料参数进行了灵敏度分析。分析结果表明:光纤粘贴长度越长,光纤和封装层的层间黏结越紧密,平均应变传递系数越大,应变传递效果越好。本文的研究可广泛用于埋入式光纤传感器的应变传递误差修正及封装设计。     

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。     

光纤光栅位移传感器的研究

分析研究了光纤布拉格光栅传感信号解调原理;提出了基于步进电机调控的等强度悬臂梁光纤布拉格光栅传感信号解调方案;设计了一种基于悬臂梁调谐和匹配光栅解调技术的光纤布拉格光栅传感信号解调技术方案;推导了传感光栅中心反射波长的变化量与参考光栅中心反射波长变化量的关系式,并根据以上原理设计了系统的各个部分。步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件,在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响。该系统具有结构简单,精度较高,成本低等特点。     

压电式力传感器三向分载研究

针对测力仪中因敏感元件自身量程上限不能满足重载测试需求的问题,以压电力传感器为研究对象开展了分载研究。通过建立传感器分载装置模型,对模型的三向分载公式及理论分载比进行推导计算,并利用有限元仿真与标定实验对影响分载效果的因素进行了分析。结果表明：分载环横截面积变化及高度差异是影响分载效果的主要因素,分载比计算值与实验测试值的相对误差在4.6%以内。     

分布式光纤应变传感器的研究

根据光纤中的布里渊散射频移与光纤所受的拉伸应变有关的特性,提出了基于光频域反射法的分布式光纤应变测量系统,采用光纤光栅法布里-珀罗干涉仪对布里渊频移进行直接测量的新方法,给出了实验系统及实验结果,证明了该方案的可行性.     

光纤光栅微应变测量系统研究

本文提出了一种新型的光纤光栅F-P腔传感探头,分析了其在轴向应变作用下分裂点处波长的漂移情况,设计出了基于此理论的微应变测量系统,并进行了实验验证.实验表明,此系统能够实现微应变的测量,其分辨率为0.0098με.     

采用光纤光栅传感器测量模型材料应变的原理和应用

应变是材料与结构的重要物理特性,最能反映结构局部特性,是材料和工程结构健康监测最为重要的参数。对材料应变测量,可以预知局部荷载的状态。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、电磁兼容性强、无零漂、可靠性高、使用寿命长等特点。光纤光栅应变传感器是一种极具发展潜力和应用价值的应变传感器。研究了光纤光栅应变传感器的传感原理、应变传递规律及其在模型试验相似材料应变测量中的应用,测量得到的应变历程与实际物理过程相一致。     

具有温度自补偿功能的新型光纤光栅应变传感器的研究

分析了光纤光栅的温度应变交叉敏感的机理,设计并制作了一种新型的具有温度补偿和应变增敏效果的光纤布拉格光栅应变传感器．实验结果表明,在-10-50℃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,温度敏感性降低至封装前的1／10,应变敏感性增至原来的1．17倍．