FBG应变传感器的疲劳性能研究

将光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器埋入树脂基复合材料内部,采用试验的方法研究了传感器的疲劳性能.FBG应变监测曲线变化规律符合复合材料层合板疲劳理论,经历106次循环载荷作用过程后,最大应变测量相对误差为1.11％,保持了良好的应变测试能力和较高的测量精度.实验证明:FBG能够实现对交变应变、应力的监测,具有良好的抗疲劳能力,为重要结构服役过程中的在线损伤监测、剩余寿命预报以及材料破坏失效的预警奠定了重要基础.     

桥梁疲劳监测传感器设计

设计了一种桥梁疲劳监测传感器,它通过电阻不可逆变化的疲劳载荷响应机理拾取结构损伤信号。所设计的独特应变倍增器可将微弱的交变应变信号进行机械放大,使敏感元件在桥梁高周疲劳载荷作用下仍工作在敏感区。解决了疲劳敏感元件存在的较高动应变响应门槛值与结构较低动应变损伤间的矛盾,采用弓形弹性元件与硅橡胶预应力组合结构,得到了可靠性好、刚度低、放大率高及使用方便的理想结构,从而满足了桥梁结构长寿命、低应力工作特点的寿命检测要求。静载和疲劳试验说明:所设计的传感器具有很高的疲劳灵敏度、长期稳定性,完全适用于桥梁结构的高周疲劳检测。     

基于分布式FBG的钢轨动静态载荷监测研究

针对铁道领域钢轨应变监测需求,提出一种基于光纤Bragg光栅（ FBG）传感器的钢轨应变监测系统。从静态载荷监测角度,研究了不同加载位置的FBG传感器中心波长随加载载荷大小变化的关系。从动态载荷监测角度,研究了循环加载状态下的各FBG传感器中心波长偏移量特性。研究表明：在静态载荷作用下,各FBG传感器中心波长偏移量均随加载载荷增大而呈现良好线性变化关系,且传感器对载荷加载距离和角度变化较为敏感。在动态循环载荷作用下,FBG传感器网络能够较好地实现对钢轨应变和温度参量的实时监测。这些研究为钢轨应变与损伤分布式在线监测技术提供了有益借鉴。     

基于FBG的半潜式平台关键节点疲劳响应监测试验研究

半潜式平台在深海服役期间其关键部位的疲劳响应监测和超载预警是至关重要的。基于光纤布拉格光栅(FBG)监测原理,对半潜式平台结构关键节点进行了疲劳响应监测试验研究和疲劳损伤后的极限强度监测试验研究,通过FBG与应变计监测结果对比,分析了节点应变和位移变化规律,探讨了平台结构节点疲劳响应和疲劳剩余极限强度的监测方法。试验结果表明,FBG的疲劳响应监测值与应变计的监测值接近,曲线变化趋势一致,应变变化规律与位移变化规律比较吻合。FBG传感器能够监测到结构节点的疲劳响应和疲劳剩余极限强度的变化,可以为半潜式平台结构的安全评估和运行维护提供参考。     

FBG无应力计反演混凝土热膨胀系数的方法研究

在引水隧道衬砌混凝土应变的监测中,选择隧道混凝土衬砌断面结构应力集中部位布设光纤光栅(FBG)传感器,采用降温阶段的数据,混凝土自生体积变形和湿度的变形趋于平稳。利用应变和温度的波长反演热膨胀系数,分析结果表明,直接对应变和温度的波长数据进行线性拟合,估计值和真实值更加接近,精度更高。     

新型疲劳传感器设计与性能研究

基于经过特殊退火处理的康铜材料具有不可逆电阻疲劳载荷响应,用其作为疲劳敏感元件材料,但因制成的疲劳寿命计工作响应应变门槛值太高,设计了结构独特的弹性放大元件,两者组合构成的疲劳传感器灵敏度得到很大提高,满足了大型工程结构循环应力低、工作寿命长的寿命检测要求,从而达到对大型结构长期健康监测目的。通过试验,研究了该新型疲劳传感器的热输出特性和不同受力情况的放大系数变化,得到了传感器热输出和放大系数修正公式。所设计的疲劳传感器性能满足各种大型工程结构疲劳损伤监测要求,与其他疲劳检测方法相比,其测试精度、经济性和效率均具有明显优势。     

岩石峰前阶段变形光纤光栅传感检测研究

为了获得更为精确的岩石变形破坏测试数据,提出了一种采用光纤光栅传感技术对岩石变形破坏过程进行检测的方法。该方法将光纤光栅粘贴于岩样的轴向方向,岩样在815MTS液压伺服机上进行单循环加载实验,测试岩石峰前变形阶段的轴向位移,岩样破坏后即停止实验。实验结果表明,光纤光栅传感技术所测应变值经应变传递系数换算后与MTS所测应变值一致性良好,相对误差率仅为3.2%。采用光纤光栅传感技术可以实现岩石峰前变形阶段的高精度测试。     

沥青混凝土路面光栅应变传感器的试验研究

疲劳是沥青路面设计标准之一,沥青混凝土的疲劳失效与沥青层底拉应变值的大小相关.为了准确测得在实际车辆荷载作用下沥青层底的应变响应,采用光栅应变传感器代替传统的电信号传感器进行路面应变测量的试验研究,结果表明光栅传感器在抗振动、抗电磁干扰等方面性能较好,试验结果与路面结构和材料类型相符,能够满足路面应变测量的要求.     

无封装FBG应变传感器在桩基试验中的标定研究

针对海上风电桩基的沉桩模型试验,采用无封装分布式光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)应变传感器对模型桩的沉桩过程进行应变监测,为提高FBG应变传感器的测量精度,通过采用自主设计并研制出的标定装置,提出了一种用于桩基试验的无封装FBG应变传感器灵敏度系数的标定方法,并将标定结果与理论值进行对比。随后,在模型桩的桩顶、桩中和桩底位置安装电阻式应变片进行加载试验,将FBG应变传感器的测量应变数据与电阻应变片测量数据进行对比分析。研究结果表明：标定后的FBG应变传感器的灵敏度系数与理论值相比存在较大差异,最大误差为6.76%,这是由于标定后的FBG应变传感器测量结果更为准确,并且FBG传感器的测量精度要高于应变片。该标定试验为后续沉桩试验模型桩应变、应力及桩侧阻力的监测提供了可靠的数据支撑。     

基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿研究

基片式FBG传感器封装结构在应变测试中受到广泛关注,尤其是在航空航天领域,其粘贴方式对监测飞机蒙皮应变具有重要意义。为了提高基片式封装结构的FBG测量飞机蒙皮应变精度,对薄板试验件粘贴基片式FBG传感器进行力学性能研究,实验结果表明传统粘结基片式FBG传感器方式会引起被测薄板材在拉伸过程中产生非线性变形。据此,通过ANSYS有限元分析软件仿真粘贴1 mm传感单元的1.5 mm薄板静态加载过程,并进行静力学有限元优化分析,力学分析及理论推导结果显示,对称粘贴基片式FBG传感单元能够解决应变与波长非线性关系,且能够有效补偿温度对测量的影响。搭建FBG解调系统与MTS力学测试实验系统,实验结果表明,在对称补偿的布点方式下,应变测试线性度为0.998,传感单元应变灵敏度为0.946 pm/με,提高了应变测试精度,可以有效的应用到飞机蒙皮应变测试。     

基于长周期光纤光栅的动态轴向应变传感器

基于高频CO2激光脉冲写入的新型长周期光纤光栅(LPFG)独特的弯曲特性,提出了一种新的动态轴向应变传感器设计方法。该方法利用新型LPFG向特定方向弯曲时,谐振峰幅值与波长随光栅弯曲率的改变而灵敏地发生线性改变的特性,将动态轴向应变转化为LPFG弯曲曲率的动态改变进行测量。理论和实验表明:系统最后探测到的交流电压随轴向应变的增加而增大,应变灵敏度可达57.56mV/10-6。在施加频率为300 Hz、其值为0.69×10-6的动态轴向应变时,分辨力可达1.6×10-9/H z,信噪比可达61 dB。该方法可用于制作操作简单、分辨力高,成本低廉的动态轴向应变传感器。     

多模光纤光栅的应变传感特性

主要对多模光纤光栅的应变传感特性进行了实验研究,实验结果表明,光纤光栅的Bragg波长随轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,而且其重复性相当好。实验测得的应变灵敏度为0.0011nm/(×10-6),与理论计算值相符。这些特性与单模光纤光栅的传感特性基本相同,因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅制作光纤传感器以降低成本。实验结果可以作为对光纤光栅进一步深入研究的参考。     

层层累积技术制备基于纳米碳管的葡萄糖生物传感器

以多壁纳米碳管(MWCNTs)为电子媒介体和酶的吸附载体,利用层层累积的自组装技术固定葡萄糖氧化酶(GOx)的多层(MWCNTs/GOx)n复合薄膜修饰电极,制备了一种新型葡萄糖生物传感器。结果表明:传感器对葡萄糖的响应电流值随着MWCNTs/GOx复合薄膜层数的不同而变化,当MWCNTs/GOx复合薄膜的层数为6时,响应电流值达到最大。(MWCNTs/GOx)6复合薄膜修饰的葡萄糖生物传感器对3×10-2mol/L葡萄糖的响应电流为1.63μA,响应时间仅为6.7 s。该生物传感器检测的线性范围为5×10-4~1.5×10-2mol/L,最低检测浓度可达0.9×10-4mol/L。     

基于电子鼻的空气中可挥发有机物定量分析

采用6只不同掺杂的纳米ZnO气体传感器组成的电子鼻实现了空气中乙醇、丙酮、苯的定量分析。对比了多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)、人工神经网络(ANN)等不同算法在本实验中的应用,其体积分数平均标准误差分别为16.71×10-6,34.183×10-6,7.242×10-6。基于非线性函数映射的ANN算法具有最佳定量精度。研究表明:电子鼻在可挥发有机物(VOCs)定量分析中有潜在的应用前景。     

基于纳米分子筛敏感膜类神经毒气传感器

研究了ZSM5分子筛膜对神经类毒剂沙林的相似物甲基磷酸二甲脂的敏感特性,并结合高灵敏的石英谐振微天平(QCM)研制了甲基磷酸二甲脂气体传感器。测试甲基磷酸二甲脂气体的体积分数分别为10-6,5×10-6,20×10-6的气体。研究表明:基于ZSM5纳米分子筛膜的传感器的检测灵敏度高,对气体体积分数为10-6甲基磷酸二甲脂气体的检测灵敏度为60Hz/10-6,比半致死浓时积低;传感器的响应与脱附时间较快,对气体体积分数为10-6甲基磷酸二甲脂气体的响应与脱附时间均为100s;对同体积分数丙酮气体进行了频率响应测试,对传感器的选择性进行验证。还研究了ZSM5分子筛对甲基磷酸二甲脂气体的脱附再生条件,发现经过200℃脱附,分子筛的再生能力可以得到较好的恢复.     

掺杂三乙醇胺铜配合物的PVA复合薄膜/K+交换玻璃光波导器件检测SO2气体

三乙醇胺酮配合物气敏性研究发现,该配合物与二氧化硫气体作用时透光率发生变化。以此结果为依据在K 交换玻璃光波导表面固定三乙醇胺铜配合物掺杂的聚乙烯醇复合薄膜,研制出了二氧化硫气体传感元件,并在光波导传感检测系统中测定其传感特性。实验结果表明,本传感元件对低浓度(500×10-9～15×10-6)二氧化硫气体有良好的线性快速可逆响应,低浓度氯化氢、硫化氢、二氧化氮、氨气以及挥发性有机物蒸汽对二氧化硫气体的检测没有干扰,具有灵敏度和选择性高、可逆性好,结构简单和易制作等特点。     

CLPG的分布式FBG解调系统仿真研究

从耦合模理论出发,运用传输矩阵法对级联长周期光纤光栅(C LPG)的传输光谱进行了仿真分析,提出了基于CLPG的分布式光纤布拉格光栅(FBG)解调系统.该解调系统将级联长周期FBG作为边缘滤波器,利用它的4个线性区同时解调4个FBG的传感信号.仿真结果表明:在CLPG的线性范围内系统检测的光功率与传感FBG所受轴向应变成线性关系,最高能检测到5.813×10-9的轴向应变传感信号.系统的应变灵敏度分别为-42.75,42.95,-43.15,43.35 mW/10-6.     

基于光纤传感技术的金属线胀系数非接触测量

针对传统金属线胀系数测试方法存在的缺陷,介绍一种新颖的金属线胀系数实时非接触测量方法。该方法是利用反射式光纤位移传感器输出特性曲线的线性区实现微位移测量的原理,从而实现对金属线胀系数的测量,实验给出了测试结果:黄铜棒的线胀系数为 18. 81×10-6 /℃,铁棒的线胀系数为11. 69×10-6 /℃。该方法无论是操作过程还是测量精度都优于传统测量方法。     

全固态汞离子选择电极的研究

汞是剧毒物质,易对水环境造成严重的污染,研发适合现场在线检测汞的技术非常必要。通过2个阶段的固相反应合成了一种全固态离子选择电极,电极成分为AgI,Ag2S和HgI,该电极对二价汞离子具有选择性,线性范围为10-110-5mol/L,斜率为29.3 mV/decade,pH适用范围为02,检测下限为3.31×10-6mol/L,响应时间小于3m in。     

热膜风速计温度校正研究

为提高热膜风速计在非恒温流场状况下的测量精度,提出了一种温度自动校正方案。通过对热膜探头的温度特性分析,提出采用铂电阻作为热膜风速计的温度补偿元件。经温度校正后,热膜风速计零点温度漂移可以达到4.8×10-2%FS/℃,灵敏度温度漂移可以达到-1.0×10-2%FS/℃。试验结果表明:利用铂电阻对热膜风速计进行温度自动校正取得了较为理想的效果。