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。     

基于高弹性聚合物全息传感器的位移响应特性研究

目前的光子学传感器很难对聚合物弹性形变与位移做出传感响应。为了改善光子传感器的缺陷,研制了基于高弹性聚合物的全息传感器,并对传感器在拉力作用下的微形变与相应的微位移传感响应进行了表征。获得了微位移与光栅衍射光谱间的定量线性关系。证实波长红移的主要诱因是全息光栅间距的增大。多次反复测试结果证实了全息位移传感器的可逆性。     

光纤光栅与增量极限学习机的航天器结构重构

为了解决航天器板状结构变形的监测问题,建立了结构应变检测与形变重构系统,提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法.采用光纤光栅应变传感技术,搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置,每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成,并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性.设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型,经过训练,该模型能够有效的预测结构变形位移量,结合三次样条插值法,实现了变形曲面的三维重构.采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价,实验结果表明,该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm,均方根误差小于0.005 mm,满足航天器结构的形变监测需求.     

形变方式对H62黄铜模压形变等效应变分布的影响

采用三维有限元法(FEM)模拟H62黄铜交叉模压形变过程和平行模压形变过程,分析了这两种不同模压形变方式对试样模压形变后等效应变分布的影响,并与试验结果进行了比较。结果表明,随着模压周期的增加,与平行模压形变相比,交叉模压形变方式下试样等效应变累积值会更高,等效应变分布也会更均匀;其模拟结果中等效应变的分布规律与试验材料显微硬度的分布规律相对应。     

传感器力敏元件位置优化及其动态特性研究

力传感器的敏感单元位置布置对传感器的输出特性有重要影响,本文基于有限单元模型分析了传感器敏感单元位置应变是多阶模态响应的线形组合,敏感单元位置与传感器灵敏度、动态特性之间密切相关,并给出了一种三维加速度传感器的敏感单元位置与传感器输入输出响应关系.     

车用高强钢薄壁构件碰撞性能研究

基于台车正碰试验的响应数据,运用有限元软件对台车双筒模型进行正面碰撞仿真与分析。从薄壁的形变模式、加速度与能量曲线变化为响应指标来入手,研究了仿真与试验之间存在的误差。以提高模型的仿真精度为目标,研究考虑应变率效应对碰撞响应的影响,并与不考虑应变率和实车试验进行形变模式、加速度曲线进行对比。最终结果表明:在加速度峰值和薄壁变形折叠的次数来看,考虑应变率效应明显优于不考虑应变率的。     

光栅式宏/微应变传感器的设计

为满足桥梁及深海设备对毫米级测量范围和纳米级测量分辨力的应变测量要求,设计了一种基于光栅莫尔条纹测量原理的宏/微应变传感器。该传感器由上下两个滑块构成,滑块之间不设置导向机构,而是由弹簧片连接,以避免被测件的横向形变对传感器上下滑块导向机构的影响并由此影响到传感器的安装条件。考虑到弹簧片能够对传感器支撑结构产生附加形变,对支撑结构的形变进行了理论计算和有限元仿真。理论分析和实验结果表明,在-2~2mm形变测量范围内,传感器的测量分辨力小于5nm,而由支撑结构产生的最大附加形变小于20nm。     

S30408碟形封头应变强化特性及极限载荷分析

利用磁性测量仪FMP30测量不同塑性应变量下S30408板状拉伸试件形变马氏体体积分数,确定形变马氏体体积分数与塑性应变的关系.测量某低温液体半挂车罐体内容器碟形封头上各区域的形变马氏体体积分数,并对马氏体体积分数沿经向的分布规律进行简化,据此推算封头各部位加工历史造成的塑性应变.根据封头各部位的塑性应变确定考虑加工历史时各部位材料的应力应变曲线,并通过非线性有限元计算确定结构的极限承载能力.与不考虑加工历史仅考虑真应力应变关系以及不考虑材料强化仅按弹性理想塑性材料计算的结果相比,得到以下结论:对于S30408碟形封头,考虑材料应变强化特征计算得到的垮塌载荷与极限载荷均明显高于按弹性理想塑性模型计算的结果.加工历史造成的应变强化对结构的垮塌载荷影响不大,但对按双切线法确定的极限载荷影响较大,可较明显地提高结构的极限载荷.     

材料厚度对H62黄铜模压形变等效应变分布的影响

采用二维有限元法(FEM)模拟H62黄铜模压形变(GP)一周期的过程,分析了材料厚度对模压形变等效应变分布的影响,并进行了模压形变试验验证。结果表明:随着材料厚度的增加,等效应变的最大值区域从材料表面转移到中心;材料厚度越大,等效应变累积的速率越快,其均匀性越差;模拟结果中等效应变的分布规律与试验材料显微硬度的分布规律相吻合。     

一种快速响应的纳米裂纹应变传感器

为了在聚酰亚胺(polyimide,PI)基底上实现纳米裂纹的图案化,提出了一种利用不同金属薄膜在柔性基底上的延展性差异引导纳米裂纹可控分布的方法,制作出了一种具有快速响应能力的纳米裂纹应变传感器.在PI基底上先溅射了一层铬薄膜,对铬薄膜图形化后再溅射了一层金薄膜,制作了一种PI基底-图形化铬中间层-金薄膜的结构.使用电子动静态万能材料试验机拉伸PI基底,并使用扫描电子显微镜观察表层金薄膜纳米裂纹的产生情况,因为PI基底上的铬薄膜与金薄膜存在明显的延展性差异,金薄膜上的纳米裂纹仅在铬薄膜的存在区域内产生,产生方向与拉伸方向垂直,成功实现了金薄膜上纳米裂纹的可控分布.基于提出的纳米裂纹图案化方法,进一步在PI基底上制作了一种纳米裂纹应变传感器,并对制作的纳米裂纹应变传感器进行了测试.测试结果表明,制作的纳米裂纹应变传感器的响应时间短于16 ms,具备快速响应的能力.     

基于Kalman滤波的有限测点桁架结构疲劳损伤监测

发展一种基于Kalman滤波的应变响应估计方法,采用自行研发的疲劳应变数字化无线传感器,对有限测点桁架结构进行监测,实现桁架结构未测杆件的疲劳损伤评估。通过引入虚拟系统噪声对系统输入进行处理,在未知激励条件下对有限测点之外的拓展点应变响应进行估计;用平面主桁架数值模型验证了算法的可行性;设计平面钢桁架模型,进行桁架结构高周疲劳试验。试验结果表明,基于疲劳传感器的实测应变响应,该算法有效估计了拓展点应变响应,并与拓展点实测数据吻合良好;联合有限测点和估计点的应变响应数据,对该桁架结构实施了疲劳损伤评估。     

单模光纤耦合传感器的设计

以单模光纤耦合器的熔融区为传感元件的传感器是一种特殊和广泛应用前景的光学检测技术。本文分析了该传感器的敏感机理,依据单模光纤耦合传感器耦合输出是传感器耦合区长度和振动频率的函数关系,提出该种传感器可实现应变和振动检测。搭建了以微应变仪和等强度悬臂梁的应变和振动检测系统,设计了实验系统的每个单元,详细分析了耦合型光纤传感器的静态响应特性和温度、横向压力干扰影响,结果表明该类型传感器对应变的响应非常灵敏。通过与压电振动传感器的测试对比,得出该传感器可更好地实现低频和高频振动检测,并分析了其低频和高频的响应特性。耦合型光纤传感器耦合区材料、结构本身、制作工艺等因素将影响传感器的静、动态性能,面向实用化,需解决传感器存在的一些问题。     

软组织特性超声测量方法的研究

软组织的应力—应变特性是衡量软组织病变的重要依据。通过用四片应变片组成的力传感器与超声探头一起构成的新型力—位移集成传感器 ,测量软组织在受压时的形变和压力数据 ,并通过数据处理和利用互相关技术来获得被测软组织的应力与应变 ;基于软组织的生物力学模型和所获得的力和应变数据 ,提取软组织生物力学模型中的一些特征参数 ,为软组织病理诊断奠定了基础。     

船体结构冰载荷反演方法及试验验证

冰载荷是影响船舶冰区航行期间结构安全的重要环境载荷。船舶的冰压监测通常采用应变传感器,合理地布放传感器是识别冰载荷的基础。通过对比船体外板结构试验中的冲击载荷和不同测试方案下的应变信号,确定了最佳应变传感器布放方案;采用Green核函数方法建立了船体外板结构应变冲击载荷间的响应关系,并对采集信号在噪声影响下反演的不适定性进行了分析;采用Tikhonov正则化方法克服了载荷反演过程中出现的数值不稳定问题;最后将试验中的响应用到载荷识别分析中,反演的载荷可以较为准确地反映冲击载荷的时域特征并且载荷识别精度良好。     

埋入式FBG应变传感器的设计及其传感特性研究

光纤Bragg光栅是一种性能优良的敏感元件,利用其研制出了基于碳纤维复合材料(CFRP)封装的用于测量混凝土内部应变的FBG应变传感器.同时分析了传感器轴向应变分布与结构参数的关系.通过等强度梁上的校准试验,得到了传感器的静态性能指标;通过霍普金森压杆上的冲击试验研究了传感器的动态响应特性,试验表明:FBG应变传感的器线性度≤1%,埋入混凝土结构内的光纤光栅传感器能够真实的响应混凝土内的应变值,因此传感器可用于实际工程中混凝土结构内静态和动态应变的测试.     

基于正交的声表面波应变传感器的温度应变解耦方法

针对应变测量的温度干扰问题,文中设计了2个声表面波应变传感器,2个传感器的频率分别为240.856 MHz和239.22 MHz。2个传感器粘贴在悬臂梁上靠近固定端的2个位置,一个沿着声表面的传播方向与应变方向一致的方向粘贴,另一个沿着传播方向与应变垂直的方向粘贴。然后对传感器的温度应变响应进行测试,测得了传感器芯片在25～200℃下的频率响应。结果表明一个谐振器的共振频率随着应变的增加而减小,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为192.5 Hz/με。另一个谐振器的共振频率随着应变的增加而增加,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为128.7 Hz/με。然后提取出不同温度下的应变灵敏度,2个传感器的灵敏度随着温度的变化,先增加后减小。然后将2个传感器频率做差,通过计算实现了应变精确值的提取。     

应变速率对Q235钢形变诱导铁素体相变的影响

使用Gleeble 3500型热模拟试验机在850℃下对Q235钢进行压缩变形,研究了应变速率对Q235钢形变诱导铁素体相变的影响.结果表明:在较低的应变速率(0.01 s-1)下,无法得到大量的形变诱导铁素体;而在较高的应变速率(5 s-1)下,可以得到大量的形变诱导铁素体;随着应变速率的增大,变形后显微组织也逐渐变得更加均匀细小;应变速率越高,越容易发生形变诱导铁素体相变.     

基于MSE/PVDF复合结构转速传感器的研究

磁敏弹性体(MSE)是一种具有优良磁响应特性的磁敏材料,在磁场作用下将产生垂直其表面的磁致法向力,结合聚偏氟乙烯(PVDF)的正压电效应,针对转速检测提出一种结合两者特性的转速传感器,在敏感单元中设计由MSE与PVDF压电单元组成复合结构,通过复合结构感知磁场激励以实现转速检测,并从微观与宏观层面分析了检测机理,采用自建测试系统确立了磁致法向力与磁场间的关系,PVDF的动态形变响应及传感器的输出特性。结果表明：以复合结构为核心的敏感单元对测试转速的磁场激励表现出稳定的电压峰值响应,并能够实现对中高转速的准确检测。     

柔性光纤压力传感器的增敏结构设计

为了提高光纤压力传感器的灵敏度,提出了一种具有倒凹槽结构的柔性光纤压力传感器的设计方案.用聚二甲硅氧烷(P DMS)作为该传感器柔性基底,通过P DMS受力形变,带动光纤发生形变,从而实现光纤的轴向拉伸.利用光频域反射计(OFDR)测量光纤的轴向应变变化.对所提出的增敏结构传感器和改进前的传感器进行Abaqus有限元仿...     

新型耐高温光纤光栅温度传感器

设计并制备一种新型耐高温光纤光栅温度传感器,将光栅用绝热材料封装,通过杠杆结构与铝棒连接.当温度变化时,铝棒受热发生形变对外产生作用力,并通过杠杆结构增大,作用在光栅端,从而使光栅产生应变达到高温测量的效果.该结构摆脱了传统方案不能测量高温的问题,避免由于封装材料及衰退效应致使传感器不能测量高温的问题.经实验测量此传感器的温度灵敏度为0.005 nm/℃,测量温度高达310℃依然保持良好的线性,具有巨大的高温测试测试潜能.