柔性基体材料封装FBG传感器的应变传递误差分析

由于力学理论和有限元仿真应用于道路结构的分析受材料参数与边界条件等因素影响较大,要获得其准确、真实的受力状态,需借助原位监测技术。然而,日益得到推广应用的高性能光纤光栅敏感元件因其传统的封装方式,无法在模量上匹配相对离散的道路结构测试。为此,本文以沥青路面结构为研究对象,提出了一种以纯沥青为光纤光栅外包层、以小粒径沥青混合料为封装层的柔性基体材料光纤光栅封装技术,建立了其变形作用机理的力学模型,从理论角度分析其应变传递机理,给出了相应的误差修正公式,并通过模型试验方式检验该传感器的感知性能及误差修正公式的适用性。研究结果表明：该种柔性原材料封装光纤传感器可用于沥青混合料的监测,且借助应变传递误差修正公式能较好地消除部分因素的影响,间接地保证了沥青路面结构真实变形的高精度还原,为路面结构监测技术的发展起到了积极的推进作用。     

粘贴式光纤光栅传感器应变传递规律研究

介绍一种粘贴式的光纤光栅应变传感器的结构和工作特性.首先从力学的角度分析了粘贴式光纤光栅应变的传递规律,然后采用有限元的方法分析了粘贴式应变传感器的变形传递影响因素,确定了粘贴式光纤光栅传感器的结构参数,最后对该粘贴式的光纤光栅应变传感器进行了重复性、一致性、动态特性和疲劳性实验,实验证明了该传感器在大型土木工程中具有较高的实用价值.     

表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递机理分析与实验研究

金属基底封装的光纤光栅应变传感器具有线性度高、重复性好、易标定等特点,在应用中由于光纤与基体不直接接触,测量的精度取决于粘结胶的特性.在分析FBG应变感知机理的基础上,基于力学仿真设计了金属基底结构,并建立了包含光纤光栅-壳体-粘胶层-基体的四层应变传递仿真模型,制作并利用悬臂梁进行了应变测试,取得了良好的实验结果且与仿真计算误差在0.5%以内.     

胶粘剂对表贴式聚酰亚胺光纤布拉格光栅应变传递的影响分析

光纤布拉格光栅传感器用于测量结构的应变时,需与被测基体相粘黏,使其与基体协调变形,故胶粘剂的选取对其测量结果有直接的影响。针对此问题,本文对表面粘贴式应变传递模型进行了改进,建立了更为合理的模型,并通过理论分析出了影响应变传递率的主要因素,得到了其传递率随胶体剪切模量的增大而增大的结论。通过控制变量法,用480胶、AB胶、401胶、环氧树脂、3311胶这五种不同胶粘剂,将聚酰亚胺光纤光栅粘贴于等强度梁表面进行对比实验,得到了相应的应变传递率,其结果与理论模型计算值相比误差在5%左右,为表面粘贴式光纤光栅测量应变的工程应用提供了重要的参考。     

基片式光纤光栅传感器应变传递分析与试验

为研究基片式光纤光栅传感器传递效率,建立了应变传递模型,对基片式光纤光栅传感器与裸贴式光纤光栅传感器进行了对比试验,得到了传感器中心波长与挠度关系曲线,试验结果表明：基片式光纤光栅具有良好的线性度,应变灵敏度为0.822 pm/10－6,应变传递效率可达89.4%。利用ANSYS有限元软件对基片式光纤光栅传感器进行应变传递分析,有限元分析结果与试验结果一致,证明了模型和计算方法的有效。提出铍青铜基片式封装形式,并建立ANSYS模型,对其传递效率进行计算,计算结果表明：铍青铜封装应变传递性能一般,但对光纤光栅具有良好的防护性能。     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

光纤布拉格光栅大应变传感器的设计和仿真

为了解决充气结构,大应变难以测量的问题,使系统得到正确的监测和监控,设计了一种粘贴式光纤布拉格光栅(FBG)大应变传感器。通过在被测材料和光纤布拉格光栅之间增加过渡材料的方式减小平均应变传递率,由FBG对微小应变的敏感性来测量相应的被测材料的较大应变。基于应变传递理论,用有限元仿真分析的方法对传感器的结构尺寸、材料性能等参数进行优化,实现了0.05%-2%的应变测量范围和0.05%的应变测量精度。为传感器的研制提供了重要依据。     

安装于低模量基体的FBG传感器误差分析

FBG传感器广泛应用于基体结构的应变测量,由于FBG传感器的存在改变了基体的应变分布,光纤与基体并非直接接触,导致测量应变产生一定的损失,因此需要研究光纤应变与基体应变的关系用以提高测量精度。建立了一个FBG传感器应变传递模型,并利用有限元验证其正确性,利用文中理论对各个参数对应变传递率的影响进行详细的分析;理论解和有限元解误差在3%以内。本文理论满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。     

考虑混凝土弹塑性的植入式GFRP封装FBG传感器应变传递分析

工程化FBG传感器的封装层引入的应变传递损耗使其具有应变传递误差,需进行应变传递分析。已有研究多聚焦于基体处于线弹性时的应变传递分析,而混凝土结构发生弹塑性变形后的应变传递规律尚未明晰。以植入式GFRP封装FBG传感器为对象,在应变传递分析中引入混凝土的非线弹性本构关系,建立了基体与FBG的应变传递关系,通过有限元模拟验证了该理论推导的有效性。基于理论分析探讨了混凝土弹塑性演化、混凝土标号、传感器半径与标距等因素对应变传递效率的影响,并分析了传感器的尺寸设计。研究表明：平均应变传递率在混凝土弹性阶段变化较小,而到塑性阶段则显著降低,混凝土标号、半径与标距都会对应变传递效率产生较大影响。本研究可广泛用于植入式FBG传感器的应变传递误差修正及设计。     

智能服装中光纤Bragg光栅心音检测方法的研究

研究基于光纤光栅智能服装心音检测的理论和方法.根据光纤光栅应变效应和圆形膜片振动原理,建立了心音传感数学模型,推导出心音灵敏度计算公式.设计了光纤光栅心音传感器结构并制作出样品,其灵敏度理论值为957.11 pm/kPa.用所设计的传感器对人体心音进行实测,反射波长变化范围约70pm.在体温不变的情况下,光纤光栅反射波...     

时栅角位移传感器误差测试及补偿

在工业现场,角位移传感器校准受特殊条件的限制,很难用标准器进行密集误差采样来提高精度。针对该问题提出了一种稀疏误差采样及补偿方法。在分析时栅角位移传感器的感应信号的基础上,提出稀疏采样第1个对极内细分误差+对极点零位误差的测补方式,给出用激光干涉仪获取零位和细分误差的方法及采用稀疏采样的误差补偿模型进行补偿的具体过程。以72对极时栅角位移传感器为对象进行研究,实验结果表明:该方法充分剔除了零位误差且补偿了细分误差,在稀疏采样的条件下即可实现整周范围的有效补偿,大大提高了修正效率和测量精度,时栅传感器的精度达到2.69″。     

一种新型光纤布拉格光栅气体泄漏检测传感器

提出了一种新颖的基于光纤自加热效应的气体泄漏检测用传感器,不仅可对管道连接处等易发生泄漏的部位进行实时监测,还可提供定量的有关管道泄漏速度的数据。泄露到光纤外部的泵浦光能被附着在光纤光栅外部的金属涂敷层吸收,导致温度上升,改变了光栅的栅格周期,进而影响了光栅的谐振波长。当有气流通过光纤光栅时,由于热量被带走,导致光纤光栅温度变化,通过监测谐振波长的改变即可求得气体的泄漏速度。为简化信号解调方法,利用长周期光纤光栅的边沿滤波器特性,实现光纤光栅传感波长的解调。实验通过控制CO2的流速,证实了该方法的可行性。     

A fibre-optic grating sensor for the study of flow-induced vibrations

A fibre-optic Bragg grating sensor for flow-induced vibration measurement is described. The sensor is based on monitoring shift in the Bragg wavelength of a fibre Bragg grating. The fibre Bragg grating, when bonded onto a structure, can measure local axial strain variation of the structure. The sensor was used to measure the flow-induced vibrations on a circular cylinder in a cross-flow. The measured strain ε is consistent with the transverse structural bending displacement Y obtained from a laser vibrometer in terms of the natural frequency of the fluid–structure system and the vortex shedding frequency. The experimental data further indicated that ε and Y are linearly correlated when the bending displacement is small. It is expected that the fibre Bragg grating sensor, because of its physical uniqueness, has an important role to play in the study of fluid–structure interactions.     

涡流栅位移传感器绝对定位可靠性算法

为了提高涡流栅位移传感器绝对定位的可靠性,利用编码码道信号之间互补关系,提出了一种新型的编码码道码字识别算法,即三类码字识别算法,该算法可将编码码道归一化误差限提高到±0.1。在此基础上,对归一化误差曲线经过有选择性的最小二乘法拟合,可将归一化误差进一步降低至±0.05。实验证明该方法可以满足码字识别算法的要求,采用该技术的涡流栅位移传感器确保了绝对定位的可靠性,提高了传感器的稳定性。     

CMOS传感器在可编码三维测量中的应用

设计了一种可纠错的光栅条纹编码三维测量方案。采用CMOS图像采集传感器构建了一种三维测量系统,通过采用汉明码作为可纠错编码方案,解决了光栅交界处像素点编码错误的问题,并验证了可行性。     

基于流体动力学的探空温度传感器太阳辐射误差研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了温度测量的准确度的问题,提出了基于流体动力学的太阳辐射误差的修正方法--数值分析法.建立从地面到32 km高空不同气压条件下珠状热敏电阻器探空温度传感器的误差热分析模型,通过计算流体动力学对其进行太阳辐射误差数值模拟分析.着重研究了太阳辐射方向、传感器表面涂层反射率、传感器尺寸等物理参数对太阳辐射误差的影响.研究结果表明:太阳辐射引起的温度测量误差随海拔高度的上升呈现非线性单调递增的变化趋势.当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大,增大传感器表面涂层反射率、减小传感器尺寸都能有效降低太阳辐射误差.     

Optimisation of the range of an optical fibre pH sensor using feed-forward artificial neural network

A broad range of optical fibre pH sensor based on immobilised bromophenol blue (BPB) immobilised on hydrophobic organic polymers Amberlite XAD 7 is presented in this paper. The reflectance spectra of the immobilised bromophenol blue were measured by using an optical fibre spectrophotometer. A back-propagation (BP) artificial neural network (ANN) model was used to analyse the optode response. The results showed that the use of ANN technique was very effective in broadening the limited dynamic response of the pH sensor (pH 2.00–5.00) to an extensive calibration response (pH 2.00–12.00). A network with 11 neurons in the hidden layer was tremendously accurate in predicting the response of the optical fibre pH sensor with an average error 0.02 pH for measuring unidentified buffer solution.     

基于单片机的磁通门传感器非正交性校正研究

为提高对磁通门传感器误差校正的能力,该文提出基于单片机的磁通门传感器非正交性误差校正方法。构建磁通门传感器非正交性约束参数模型,结合PI调节器对磁通门传感器的节点进行部署设计;在输出振荡模式约束下设计磁通门传感器的组网结构,结合ZigBee组网协议实现传感器路由探测;在自适应反馈调节方法的约束下,结合最短路径寻优控制过程实现磁通门传感器非正交性误差补偿抑制,通过自适应扩频处理方法对传感器的信道输出进行补偿,并提取传输信道的关联特征量,结合信道均衡控制方法进行磁通门传感器网络的输出误差补偿;采用单片机对磁通门传感器校正过程进行集成控制,提高磁通门传感器输出过程的自适应信息处理能力。仿真结果表明,采用该方法进行磁通门传感器非正交性误差校正过程的稳定性较好、传输损耗较少,输出结果误码率较低,有效提高了传感器的信息输出的准确性。     

直线式时栅传感器的动态测量与数据处理

针对直线式时栅传感器的动态测量,提出了直线式时栅传感器的主要动态误差源.采用直线光栅尺,光栅测量值作为直线式时栅传感器空间位置测量的标准量,直线式时栅传感器的预测测量值与之进行比较,从而得到动态预测测量的误差值.对测量的误差值进行数据的预处理:数据的截断和采样、异常数据剔除,预处理后对误差值进行频谱分析,提取出幅值和相...     

基于连接式螺旋体结构的FBG冰层厚度传感器研究

河冰现象是进行水资源开发利用时需要考虑的一个重要现象,冰层厚度检测是冰情状况检测的主要对象。研制了连接式螺旋体结构的光纤Bragg光栅（FBG）温度传感器。基于冰与水温度变点的机理,通过检测冰层与水的温度和传感器纵向分布阵列之间设置的间距得到冰层厚度。该FBG温度传感器使用导热系数较好的毛细紫铜管作为制作螺旋体结构材料。对不同厚度的冰在冰消过程中的厚度检测,实验结果表明：最大测量误差为12mm,最小测量误差为0mm。可通过调节U型管所在斜面和直通管所在平面角度改变各测点之间的间距。