基于分布式光纤传感技术的结构变形估计方法研究

悬臂板是广泛应用于工程实践的常见结构形式,在航空航天、轨道交通、土木工程等领域均有重要应用,其变形监测问题一直是此类领域重要的研究内容之一.本文将矩形弹性悬臂薄板纯弯曲的一般问题作为研究对象,讨论求解该问题的方法,建立应变与位移的联系,并在线弹性小变形理论框架下,得到结构横向位移的有限差分表达式;采用具有高密度应变测量...     

基于分布式光纤传感器的管道受弯变形监测试验研究

科学合理的管道安全监测技术对管道工程运行具有重要意义,开展了基于分布式光纤传感技术的管道受弯变形监测试验研究。针对现有分布式光纤变形计算方法的不足,提出了分布式光纤监测管道受弯变形计算方法,编写了基于MATLAB的分布式光纤管道受弯变形计算程序。研究结果表明,基于分布式光纤传感技术的管道受弯变形监测方法整体测量精度较高,在变形量小于180 mm范围内时绝对误差小于4 mm,平均相对误差在2%以内;当变形量较大时,绝对误差随之增大,但是平均相对误差在3. 2%以下。初步开展了基于分布式光纤传感技术的管道受力分析,结果表明模拟所得管道剪力模式与理论模式以及实际情况较为吻合。基于分布式光纤传感技术的受弯变形监测方法测量精度较高,误差较小,能够满足管道受弯变形监测要求,具有较好的应用前景,是一种理想的变形监测技术,同时该方法也能拓展应用到管道受力等其他安全分析中。     

分布式光纤振动传感器及振动信号模式识别技术研究

研究分布式光纤振动传感技术及光纤振动信号的模式识别技术。通过M-Z干涉原理实现对振动信号的检测,通过信号双向时延定位技术实现光纤振动信号的定位。运用不同的数学方法对光纤振动信号进行分析,找出不同事件产生的振动信号的特征信息,并运用MATLAB进行仿真分析。通过仿真分析,证实了系统能找到挖掘机、车辆及人员走动的特征参数,从而能将这三种不同的事件区分开来。     

分布式光纤曲率模态传感器在薄结构振动测量中的研究

薄结构在工程实际中应用十分广泛。当受到外界激励和干扰时，薄结构易产生振动，不仅影响系统的稳定性，甚至危及财产和生命安全，所以进行深入的研究具有重要的理论意义和实用价值。传统的振动测量方法为应变传感器测量和加速度传感器测量。然而由于薄结构应变小以及多点式的分布式测量方法存在的弊端，使振动测量的精确度受到限制。因此基于结构的振动是多个振动模态按一定比例线性的叠加的理论基础，提出了一种新型传感器，分布式光纤曲率模态传感器用于薄结构的振动测量。     

光纤分布式振动系统中的信号处理算法研究

在Φ-OTDR(phase-sensitive optical time-domain reflectometer,相位敏感光时域反射计)传感系统中,光纤振动信号的提取和降噪尤为重要。文章通过搭建一套光纤振动传感系统,完成信号采集,并使用低通滤波、小波降噪、小波包分解及降噪等方法完成了实验研究。提出一种协同滤波降噪的方法,能够将信号的信噪比提高5.1 dB,完成信号的定位与提取,定位精度20 m。     

基于分布式光纤声振传感的索结构监测

索结构凭借自身良好的抗拉性能被广泛应用于工程领域。因而拉索索力是影响其安全性的重要因素,对其进行测试十分必要。现工程中索力测试多采用自振频率法,其大多是通过加速度计或计算机视觉测量拉索自振频率,从而计算拉索索力值。而近年发展出的相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)仅凭1根成本较低的通信光纤即可实现结构内全部拉索的自振频率测量,具有较好的测试前景。然而在实际中,用于确定分布式光纤系统灵敏度的有效光弹系数并不唯一。为确保φ-OTDR应用于索力测试的数据来源可靠,本研究通过将传感光纤粘贴于拉索搭建了用于索结构监测的分布式光纤传感系统性能标定平台,基于数字图像相关法对不同设计工况下的拉索跨中位移信号进行测量,并通过分析拉索模型将跨中位移信号转换为轴向信号,最后通过对比拉索轴向信号以及φ-OTDR采集信号从而实现了分布式光纤传感系统的标定实验。     

管道泄漏检测分布式光纤振动传感器研制

研制基于Sagnac干涉仪原理的管道泄漏检测分布式光纤振动传感器,可实时检测管道发生的泄漏.讨论该技术的工作原理及光波的相位调制机理,并进行了模拟实验.结果表明,该检测技术能有效的检测到振动信号.     

基于分布式光纤的电力电缆健康状态监测与可视化技术研究

进行分布式光纤传感技术机理分析及监测系统网络拓扑的建立,设计了分布式监测、集中管理和实时分析的电力电缆状态在线监测系统架构;同时,运用先进的计算机技术和可视化技术将监测结果直观地显示在人机平台上,供运行人员参考,实现对电力电缆当前和历史的健康状态的监控、分析、故障定位和预警,最后通过相应的案例进行了展示和验证,为建设坚强智能电网迈出了有力的一步。     

机翼模型应变场分布式光纤监测与重构方法

针对飞行器机翼结构应变场重构问题,提出了一种基于分布式光纤传感器与模态叠加原理相结合的大展弦比机翼缩比模型应变场监测与重构方法。借助ANSYS有限元分析软件,数值模拟得到大展弦比机翼缩比模型在不同载荷下应变分布与应变模态振型。在此基础上,通过在大展弦比铝合金机翼缩比模型展向设置光纤Bragg光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,结合数值仿真得到机翼模型应变模态振型,重构机翼缩比模型应变场分布,应变反演平均误差约为7%。研究结果表明,本研究方法具有非视觉测量、实时性好以及反演精度较高等优点,能够为及时准确获取飞行器翼面应变场分布信息,进而实现机翼气动载荷计算与疲劳寿命预测提供技术支撑。     

基于长周期光纤光栅微弯特性的智能结构振动监测

首先研究了长周期光纤光栅的微弯特性,结果表明,其固定波长处的光功率与LPFG的弯曲度成线性,由此将其粘贴于试件上,研究了当试件受到垂直周期力载荷而发生弯曲并随之振动时LPFG的动态响应特性,利用布拉格光栅反射特性获得确定波长处的窄带光作为LPFG的入射光源,通过对固定波长处的光功率探测,进而实现对试件从2Hz到2000Hz范围内的振动监测.由实验采集到的振动信号时域波形及其频谱表明,基于弯曲的LPFG振动传感器具有很好的动态响应特性,其频谱与激振信号频率完全吻合,能够应用于智能材料与结构的健康监测.     

结构振动疲劳试验监测方法研究

在振动环境中如何有效判断正在工作的结构件是否已经发生疲劳破坏具有重要的工程意义。选择三种常用的振动疲劳寿命判断方法:直接观测法,动态应变法和固有频率法,分析其判断的理论依据和可行性,并开展实验研究。试验分别运用三种判断方法同时监测结构的振动疲劳寿命,比较研究试验结果以分析获得振动环境下最适合的结构寿命判断方法,探讨选择该种方法的依据,为以后工程应用铺平了道路。     

新型高灵敏分布式光纤入侵监测系统

首次提出了一种基于纤维增强塑料(FRP)传感光缆的新型高灵敏相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)分布式光纤入侵监测系统.该方案中传感系统光源采用价格比较便宜且使用比较广泛的窄线宽DFB激光器,并采用光纤饱和体吸收法来压窄激光器的线宽以增强后向瑞丽散射光的干涉效果;在传感光缆部分使用新型的FRP封装的特殊传感光缆,该光缆拥有比普通通信光缆高得多的应力敏感性;并且应用小波分析方法对得到的传感信号进行降噪处理,有效地提高了系统的信噪比.通过以上改进提高了系统对微扰远程定位检测的准确度和灵敏度.实验结果表明该传感系统在2 km和6 km处均能获得较高信噪比的扰动信号,能有效地预报和定位微扰的发生,由于该系统成本得到有效的控制,可能是目前国际上性价比最好的φ-OTDR分布式光纤入侵监测系统,可望在入侵监测中获得广泛的应用.     

光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究

以大型航天柔性结构如太阳能帆板为试验模型对象,针对太空柔性结构振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究.技术方法上基于分布植入式FBG离散传感网络及其空分复用和波分复用特性,实现模型结构分布多点曲率信息检测,基于三维曲面拟合算法实现结构形态重构与可视化;综合阐述试验方案与过程,包括技术方案分析、试验对象设计、试验平台构建、试验过程描述与试验结果分析等;试验结果与验证表明,光纤光栅机敏柔性结构低模态振动形态感知与现场可视化是切实可行的,试验过程不仅效果生动逼真,而且比较精确地反映了结构振动形态,研究结果为航天柔性结构振动形态实时监测提供了技术探索思路.     

VIMP分布式在线振动监测板的开发与应用

VIMP(Vibration Iasolated Measurement Pods)是英国输力强公司(SOLARTRON INSTRUMENT LTD)新近研制推出的一种分布式多通道在线监测板.它可在较恶劣的现场环境下,采集机械设备的振动、位移、转速及其它电信号,提供超限报警,具有频谱、频域和时域平均、相位测量、10段谱带报警、包络谱等常规分析功能.此外,VIMP可通过S网络与计算机构成多模板监测系统,完成对多台机组的数据采集、管理、趋势分析和故障诊断.为了充分发挥VIMP的硬件优势,提高其状态监测和故障诊断的功能,我室近期对VIMP进行了二次开发,建立了大型回转机组的振动数据采集、存贮管理、趋势分析、故障分析、智能诊断等综合性多通道、多模板计算机监测诊断系统.现简要介绍如下.一、VIMP系统结构VIMP分布式振动在线监测器应用系统组成框图如图1所示.     

变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究

为解决变体飞行器变形机翼薄膜蒙皮形状实时监测问题,研究光纤传感及重建方法。采用实验方法标定光纤光栅传感器,得到聚酰亚胺薄膜蒙皮变形光纤传感校正曲线,实现光纤光栅传感器中心波长漂移量与薄膜蒙皮变形曲率参数的准确转换;实验测得不同翼型下光纤传感器反射谱特征及其随翼型变化规律,利用光纤光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同翼型下聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率数据,结合插值曲线拟合算法,重建出薄膜蒙皮三维形状;采用数字摄影测量系统进行对比实验,验证了光纤传感重建蒙皮形状参数的正确性。研究结果表明,聚酰亚胺薄膜蒙皮型面曲率的光纤传感与摄影测量误差小于5%,光纤传感方法可以实现变形机翼薄膜蒙皮三维形状传感与重建,在变体飞行器柔性蒙皮实时传感监测方面具有应用前景。     

基于分布式光纤振动传感原理的电力电缆故障定位技术研究

研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术.通过在电缆上施加高压脉冲,使得电缆上有故障的位置产生局部放电,从而产生振动信号.并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统.通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号,并对振动信号进行定位.将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布,并进行试验验证.实验结果表明,该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况,并对故障点进行准确定位.     

埋地管道光纤周界振动监测与预警技术

对管道第三方活动进行振动监测和预警可以显著提高管道安全性。遵循“数据采集?样本分割?特征提取?识别模型训练?识别策略”框架,建立了基于随机森林算法的埋地管道光纤周界振动监测系统。通过长度为5.35 km的相位敏感光时域反射计（phase?sensitive optical time?domain reflectometer,简称φ?OTDR）光纤传感系统,采集了鹤嘴锄、铲子、锤子和电锤4种典型周界入侵活动的振动信号和85 h时长的环境振动信号。依据信号对比分析结果,选择合理的样本分割尺度和特征提取方法,并训练随机森林识别模型。提出了时空矩阵识别策略用于识别模型的结果修正,减少了99.59%的系统误报。在测试中,光纤周界振动监测系统的识别率为94.87%,误报率仅为0.013 9%,这说明该系统能够抵抗城市中常见的环境振动干扰。     

分布式光纤Bragg光栅振动加速度测量及其系统的研究

本文基于连续波调频、波分、光纤光栅测量等技术，利用分布光纤光栅阵列设计了加速度实时测量系统。系统中，利用微机械技术设计加速度测量探头；应用连续波调频技术、波分技术实现串、并联光栅信号的解调。应用扫描滤波技术实现信号的辨识。本研究可完成低频微振动加速度信号多点测量。     

基于分布式光纤的门起重机主梁在线监测系统研究

为了保证门起重机的长期安全、稳定运行,实时监测门式起重机主梁的服役状态,采用先进的分布式光纤传感技术建立门式起重机主梁的实时在线监测以及寿命预测系统,实现门式起重机服役过程中主梁损伤和挠度的实时、在线监测,分析、研究主梁寿命的衰减速率及预测模型,为探寻门式起重机的最佳维护周期以及确定其剩余寿命提供重要的理论依据和数值依据。