简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及粘弹性力学的基本理论,建立了一种简化的光纤光栅应变传感器光-力转换的时变方程。方程的建立忽略封装基体和纤芯的粘弹性力学行为,同时综合考虑观测环境-封装基体-粘结层(或涂层)-光纤纤芯之间的弹性和粘弹性力学耦合机制。所建立的方程既包含了传感器的所有几何特征参数和力学特征参数,又可大为简化光-力转换的时变分析过程,从而为光纤光栅应变传感应用于大型工程结构健康监测的长期性能评估(包括参数标定、信号校正、精度分析及误差估算)提供较为可靠、实用、简便的理论分析工具。     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

光纤光栅水位传感器的理论模拟与实验研究

研制了一种光纤光栅水位传感器.采用三维有限单元法,对传感器的结构型式进行优化分析,得到水位与光纤光栅中心反射波长之间光 力转换的线性关系;制作了传感器模型,对模型的光 力转换关系进行了测试,实验结果与理论结果基本一致.该传感器经多次改进,通过试用,可用于工程检测.     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

光纤光栅传感器交叉敏感问题研究

交叉敏感问题是光纤光栅传感器在实际应用中需面对的一个关键问题。从光纤Bragg光栅的传感理论出发，分析了光纤光栅在同时测量应变和温度时引起交叉敏感的物理机理，建立了带有温度-应变交叉灵敏度系数的光纤Bragg光栅反射波长方程。利用双波长矩阵算法针对上述建立的光纤光栅方程进行了误差分析，获取了在交叉敏感情况下温度和应变的相对误差曲线图。结合相对误差表达式和曲线图分析讨论了交叉敏感对测量带来的影响。结果表明在温度和应力测量中随着测量温度或者应变变化量的增大，忽略交叉敏感项而带来的测量误差越来越明显。     

3D打印封装光纤光栅传感器应变传递机理研究

采用3D打印方法开发光纤光栅应变传感器,建立裸光纤光栅传感器、3D打印封装层、被测基体三者之间的应变耦合传递的分离式模型,推导光纤光栅传感器与被测基体的应变传递关系,分析夹持式3D打印光纤光栅应变传感器应变传递率的影响因素,包括封装层弹性模量、封装层厚度、黏结长度。研究结果表明平均应变传递率与封装层弹性模量和黏结长度呈正相关,与封装层厚度呈负相关。研究成果对夹持式光纤光栅应变测量、误差修正和传感器设计,以及3D打印技术封装光纤布拉格光栅的可行性具有参考意义。     

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.     

基于光纤光栅的螺纹管压弯扭测量技术

引入光纤光栅传感器,并结合螺纹管压弯扭分离测量理论,实现对螺纹管所受压力、弯矩和扭矩的测量.由测量结果可知,光纤光栅传感器测得压力与驱动电机上压力传感器测得压力基本相符,两者测得压力的差值为-11.4~15.5N;光纤光栅传感器测得弯矩与理论值基本一致,两者之间的差值为-0.54~0.46N·m;光纤光栅传感器测得扭矩与驱动电机上扭矩传感器测得扭矩基本相符,两者测得扭矩的差值为-0.54~0.87N·m.测量结果验证了光纤光栅传感器对螺纹管力学参数测量的可行性,为螺纹管的力学参数测量提供了一种新方法.     

光纤布拉格光栅传感器应变传递双向耦合分析

粘贴于受弯基体表面的光纤布拉格光栅传感器测量应变与基体真实应变之间存在误差,因此研究光纤布拉格光栅传感器的变形机理、分析测量应变与真实应变之间的关系是目前的研究热点.首先研究光纤布拉格光栅传感器与基体之间的相互作用机理,然后,利用有限元解、实验值和理论解进行对比验证,并分析产生误差的原因.最后,通过参数分析研究弹性模量、厚度、粘结长度等参数对光纤布拉格光栅传感器测量效果的影响.结果表明有限元解、实验值和理论解具有相同的变化趋势,有限元解与理论解的误差在2%以内,测量值与理论解的误差在7%以内.平均应变传递率随着基体弹性模量的增大、粘结长度的增长而逐渐增大,随粘结层弹性模量的减小、粘结层厚度的增大而逐渐减小.该理论对应用于受弯基体应变测量的光纤布拉格光栅传感器的设计具有一定的指导意义.     

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100～250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。