光纤光栅在低阻抗材料动态性能测试中的应用

研究了光纤Bragg光栅在材料性能测试方面的应用.介绍了基于分离式霍布金逊压杆(SHPB)的低阻抗材料动态性能测试的原理,探讨了光纤光栅传感器用于SHPB实验装置中进行应变测试的相关问题.推导了低阻抗弹性杆中传播的应力波与光纤光栅传感器的波长漂移量之间的关系式,构建了光纤光栅高频动态应变测试系统,对SHPB实验装置中被撞击弹性杆的表面应变进行了测试,并与现有仪器进行了对比.实验结果显示,构建的光纤光栅动态应变测试系统在10 kHz的频率范围内,具有40 dB的信噪比.研究表明,光纤光栅在低阻抗材料的动态性能测试中具有很好的应用前景.     

基于光纤光栅传感的公路轮轴识别系统

研制了一种新型的光纤光栅公路轮轴识别系统。系统由12个光纤光栅压力开关传感器按照一定的串接方式组合而成。光纤光栅压力开关传感器是针对轮轴识别系统的要求而专门研制的。从理论上分析了该识别系统的工作原理,并进行了实验研究,取得了一致的实验结果。经过不同车型数次过车实验证明:该轮轴识别系统识别准确率达100%。该系统不怕潮湿、粉尘、抗电磁干扰,有望替代现有的电类产品,在工程实践中获得广泛应用。     

光纤光栅传感器实时解调系统

通过对FPGA和可调光纤F-P滤波器原理的研究,设计了一个具有高速率、高精度、低成本等优点,并且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点实时测量的解调系统。文中给出了该系统的主要器件选择以及软硬件设计方案。实验证明,该解调系统的动态扫描范围达50 nm,分辨率达到1.8 pm.     

光纤光栅传感系统干涉法信号解调技术研究

针对非平衡M-Z干涉仪的线性解调技术,对其实现原理进行了研究,提出了M-Z干涉解调的几种方法.最后设计了一种新型的温度解调方案.实验证明,此种温度解调方案精度达到0.18 pm,达到了很高的精度要求,从而验证了M-Z干涉解调法具有高分辨率,进而说明此方案的可行性.     

基于LabVIEW的光纤光栅传感解调系统的研究

本设计基于LabVIEW可视化界面技术和光纤Bragg光栅波长解调的原理,对微型光谱解调分析模块的数据采集系统进行深入研究。并介绍在LabVIEW平台下进行串行通信采集FBG传感温度信号和数据处理的技术,形成基于LabVIEW友好界面、功能完备的光纤光栅解调系统,取得较好的试验效果。同时解决普通光谱解调设备成本高、体积庞大和只简单显示波长的难题。     

基于USB2·0的高速光纤光栅解调系统的研制

研制一种基于USB2.0通信的高速光纤Bragg光栅解调仪。采用EZ-USBFX2系列的CY7C68013芯片为核心作为USB外围设备,设计并实现光纤光栅传感的数据采集与USB2.0的高速数据传输系统。解调仪波长解调范围为1542~1551nm,检测精度为15pm,数据刷新速度为200kHz,而目前同等成本的解调仪速度仅为几百赫兹。     

光纤Bragg光栅测力环在系杆拱桥中的应用

针对系杆拱桥索力长期监测的特点，研制了光纤Bragg光栅锚索测力环。光纤光栅测力环具有测试精度高、测试简单方便、长期可靠性好和抗干扰能力强等突出优点。介绍了光纤光栅测力传感器的结构特点和研究过程，及其在系杆拱桥换索施工中的成功应用。应用结果表明，光纤光栅测力传感器可有效监测钢管混凝土系杆的受力状况。     

粉末冶金摩擦材料冲击和被动围压动态性能比较

比较了粉末冶金摩擦材料冲击和被动围压的动态性能，实验在分离式Hopkinson压杆(SHPB)上进行，应变率范围为10^2～10^3／s，通过试验得到了该材料在2种工况下的动态应力应变曲线。结果发现：1)没有围压时该材料有应变率弱化效应，但没发现绝热剪切现象；2)没有围压时材料的初始裂纹和孔隙在受到冲击时形成大范围的多源裂纹及孔洞分布群迅速扩展，材料的破坏模式为冲击脆性破坏；3)在被动围压下，同等应变率作用下只有微裂纹出现，在基体上出现了大量孪晶。     

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。     

一种新型光纤光栅电流传感器的研究

提出了一种新型的光纤光栅电流传感器。该系统直接在光栅上镀上一层金。在测量中,电流直接对光纤光栅加热使反射谱中心波长产生漂移。该系统结构简单,精度高。     

光纤光栅大曲率传感器的试验研究

介绍了一种新颖的大曲率传感器原理、设计及相关的试验研究。将光纤光栅应用于大曲率检测,光纤光栅采用预压应变封装在一种细径基材上,解决了光纤光栅大曲率测量中拉压不均衡问题。通过调整光纤的机械性能与光学性能,扩大了该类传感器的曲率测量范围。基于光谱分析仪器的波长分辨率0 06nm,曲率分辨率为±0 0845m-1,测量范围可大于±11m-1,理论上可达到±18m-1.     

光纤布拉格光栅压力传感器的高压实验研究

对光纤布拉格光栅的压力传感特性进行了理论分析,并在自行设计的膜片上在压力范围0～30MPa进行了加压和减压的高压实验。实验结果表明:光纤布拉格光栅的压力灵敏度较高,其值为5×10-11m/MPa,其中心波长与压力变化有着良好的线性关系和重复性,且没有迟滞现象,它们的相关系数都超过0 9999。因此,光纤布拉格光栅适合于高压情况下的压力测量。     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

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。     

一步超声法金属化封装FBG的传感特性

为解决传统胶封传感器普遍存在的蠕变、老化问题,本文提出基于一步超声法的光纤光栅表面金属化封装方法。在相同条件下分别对有聚酰亚胺涂覆层和无涂层的两种FBG进行金属化封装,研究了封装后FBG传感器的光谱、热学和力学特性,并利用扫描电子显微镜对其横截面的微观形貌进行了表征。结果表明:封装后有涂覆层FBG的反射光谱无明显畸变、边模抑制比大于10 dB,温度灵敏系数达34.63 pm/℃,应变灵敏系数为1.18 pm/με,应变传递效率达98.5%,线性度达0.999,均优于无涂层的FBG传感器。当温度从14.2℃突变到80℃经过多次冲击试验,发现金属化封装无涂层的FBG的温度增敏结构被破坏,而有涂层的FBG传感器仍保持优异的温度响应特性。SEM图显示,金属合金与有无涂覆层的光纤和金属基底都结合致密。该方法无需对光纤进行表面金属化预处理,操作简单易行,在恶劣环境、超长服役时间的光纤传感应用领域中具有重要的价值。     

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。     

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。     

扫频激光器扫描非线性的优化及其在光纤光栅解调中的应用

为了研究基于压电陶瓷的法布里-珀罗(F-P)波长滤波器扫描非线性的物理机理及优化方案,搭建了基于F-P滤波器的扫频激光器。用基于梳状滤波器的透射时域法研究了扫频激光器输出的非线性特性,获得了不同扫描频率下的扫频非线性特性的变化情况,认为这是由于可调谐滤波器中的执行器——压电陶瓷的容性负载特性引起的。结合光谱测量法,获得了动态扫频线性度、扫频范围与驱动频率的关系,实验结果与理论分析结果相符。最后,提出了优化扫频非线性的驱动参数方案。通过在驱动源后增加电压跟随器提高了驱动源的负载能力和高速扫频的线性响应特性,并应用于光纤光栅解调。实验得到了1 000Hz扫频速度下的线性解调结果,即解调线性度为0.998 44。     

胶黏剂黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响

考虑到FBG传感器用于机床应变监测时,胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响,研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型,并将粘贴层简化为三参量固体模型,得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后,通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明:在恒定应力作用下,黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化,当粘贴长度在30mm以上时,FBG应变传递率随时间的变化在4%左右;当粘贴长度为15mm时,应变传递率变化接近7%。分析该结果得出:适当增加粘贴长度,减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。     

基于小波包特征提取及支持向量回归机的光纤布拉格光栅冲击定位系统

以光纤布拉格光栅(FBG)为传感网络,构建了复合材料冲击载荷实时在线监测系统,研究了基于小波包特征提取及支持向量回归机的光纤-碳纤维复合材料结构冲击定位方法.针对同一冲击点,分析不同传感信号,获得了冲击响应信号小波包能量谱,分析结果表明小波包能量谱中特定阶数对冲击敏感.改变冲击点位置研究小波包能量谱与冲击位置之间的关系,提出将第6阶小波包能量值作为冲击定位的特征向量.采用支持向量回归机建立样本数据的回归模型,预测冲击载荷位置,并对支持向量机的相关调整参数进行了优化.实验表明,支持向量机的网络测试误差为4.81％.研究结果可为碳纤维复合材料(CFRP)层状结构的冲击性能评估提供可行的实验方法.