光纤机敏复合材料与结构及其信号处理的研究进展

简述了机敏复合材料与结构中光纤传感技术的工作原理与应用，复合材料内结构监测与损伤估计用光纤传感阵列及其输出信号的人工神经网络处理原理与技术，并讨论了今后的发展趋势．     

埋入压电元件的自诊断智能结构的理论分析与实验研究

将压电元件埋设于复合材料层板结构中，可实现结构应变分布的在线监测。本文提出一种采用压电应变传感器阵列和人工神经网络模型的自诊断方法，对局部埋入压电应变传感元件的平板结构进行了分析，采用神经网络模型根据压电传感器组的输出识别结构承载位置和大小，对该方法进行了数值模拟和实验验证。     

一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器

微梁免疫传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术,具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应过程等优点。本文针对单梁传感系统中存在的环境扰动和不能多通道检测等问题进行改进,设计制作了一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器。利用商品化微梁阵列对传感器进行了温度测试实验,所得信号曲线稳定一致,且检测灵敏度达到2nm,实验结果验证了该微梁阵列传感系统在多通道信号检测中的可行性,为微梁阵列生化传感技术的实现提供了一种新的方案。     

基于激光阵列的多通道微梁生化传感系统

针对单微悬臂梁生化检测系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响和不能多目标检测等问题,设计制作了一种基于垂直腔面射型激光器阵列(VCSELs)的新型微悬臂梁阵列生化传感系统。利用双透镜组光路汇聚激光器阵列发出的激光束,依次照射到微悬臂梁阵列尖端进行精确定位扫描,实现了5根微悬臂梁变形信号的同步检测。该系统具有灵敏度高、一致性好、检测快速等优点。通过升降温动态实验测试,验证了该系统的稳定可靠性。上述结果为微悬臂梁阵列式生化传感技术的开展提供了一种新的方法和平台。     

基于77GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法

阵列天线是77 GHz毫米波雷达的核心硬件之一，其天线性能决定着雷达的探测能力。由于工作频率的升高以及毫米波雷达小型化、集成化的发展趋势，使得雷达阵列天线阵元间距过密，从而相互干扰出现强互耦效应，严重恶化雷达阵列天线的性能。为了解决上述问题，本文提出了一种基于77 GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法。该方法通过优化周期性条形阵列解耦结构单元的条形厚度和间距，在保证阵列天线辐射性能的基础上，来抑制毫米波雷达接收天线阵元间的互耦并提高其阵元间的隔离度。仿真结果表明，相比于无解耦结构的阵列天线，提出的解耦结构能够有效地降低毫米波雷达接收天线间的耦合，尤其在中心频率77.75 GHz处互耦减少了13.29 dB。在施加周期性条形阵列解耦结构前后，阵列天线均在77.5 GHz～78.5 GHz指定频段内正常工作，且合成辐射方向图的最大增益几乎保持不变，从而保证了毫米波雷达阵列天线的辐射性能。典型的数值算例能够很好地验证所提方法的有效性。     

埋光纤光栅传感器智能土木结构应变监测

采取与土木工程施工特点相适应的操作工艺与保护方法，将光纤Bragg光栅传感器埋入钢筋混凝土结构中，分别在实验室和实际工程施工现场对混凝土内部的应变进行了测量。实验中光纤Bragg光栅传感性能良好，能够监测混凝土内部应变状态，显示出成活率高、绝对值测量、寿命长等优势，为建立基于光纤传感器的结构健康监测系统奠定了基础。     

一种新型微梁阵列传感器设计及实现

微悬臂梁传感技术是微纳传感技术研究的热点,仪器装置的研究也从单悬臂梁向微梁阵列的方向发展.本文针对间距为250μm的商品化微梁阵列,提出了一种实现对其弯曲变形的读出系统光路.利用高精度位移平台调节激光器空间位置,使光束实现微距离上平行,并分别照射在阵列梁的相邻微梁上.用位置敏感探测器对两个微悬臂梁尖端反射的激光信号进行...     

多功能复合材料结构状态感知系统

由于具有比强度和比刚度高、可设计性强等优点,先进复合材料正在逐步成为新一代民用飞机的主要结构材料。为了充分利用复合材料的优越性能,有必要研发一种与复合材料结构集成一体的多功能传感系统,以使复合材料结构可以"感觉"和"思考"自身状态。本文提出一种类似于人体神经系统的多功能传感器网络系统,将不同功能的传感器有机结合起来,并与复合材料结构永久集成于一体,用来感知结构应变、温度、湿度、气动压力等参量,并监测发生在结构上的外界撞击及内部损伤。利用这一新概念设计和制造的未来复合材料结构可以提供多种模式的综合信息,从而使之具有智能传感、环境适应等多种功能。本文同时也讨论了发展这样一种多功能结构状态感知系统所面临的挑战与有关解决途径。     

损伤自诊断自适应智能材料结构的研究

本文介绍了一种强度型损伤自诊断自适应智能复合材料结构的研究情况。这种智能材料结构基于电阻应变丝为传感元件，形状记忆合金为动作元件。为使结构具有高的灵敏度及诊断精度，文中研究了传感元件的布置方案，提出了四点布置传感元件的方法。同时采用形状记忆合金为动作元件。在自诊断出损伤后，对相应的ＳＭＡ激励，以减小损伤或防止其扩展。     

可扩展多功能复合材料结构状态传感网络的设计与制作技术

先进复合材料的使用为大型工程结构减重、提高效能及降低运营成本提供了有效途径,由于设计、制造与检测技术的限制,复合材料的优越性能在大型结构上的应用还远没得以充分发挥。本文提出了一种与复合材料结构集成一体的可扩展多功能传感网络技术,形成复合材料结构多模式传感能力,使复合材料结构可以"感觉"和"思考"自身状态。为此,发展了在微观尺度上制作高密度电阻温度传感器、电阻应变片和PVDF压电薄膜传感器网络的新方法,利用可扩展的传感器网络搭载层实现了多功能传感器网络从微观到宏观的扩展。扩展后的柔性传感器网络可覆盖面积大、外形复杂的复合材料结构,为全面快速评价复合材料结构在制造及使用过程中的完整性提供有效的技术手段。     

智能结构中光纤智能夹层力学特性的实验研究

根据光纤自诊断系统模块化、集成化要求,制作出光纤智能夹层,它可以铺设于复合材料结构表面或埋入复合材料结构内部。对智能夹层试件的轴向拉伸试验和层间拉伸试验表明,光纤智能夹层的埋入对复合材料结构的强度性能无显著影响,可以埋入复合材料结构内部并实施健康监测。试验还表明,在一定应变范围内,单膜交错光纤中光强—应变之间具有良好的线性关系,可以在埋入复合材料之前进行标定。     

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,由两根以上多模光纤相互绞合形成,分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变,又有测定压应变的结论,传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象,对钢筋拉应变、混凝土压就矿业的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器。     

Residual Strains using Integrated Continuous Fiber Optic Sensing in Thermoplastic Composites and Structural Health Monitoring

The evolution of spatially resolved internal strain/stress during the manufacturing of thermoplastic composites and subsequent relaxation from water intake are evaluated using an in-situ fiber optic sensor corresponding to a coated optical glass fiber with a nominal diameter of 160 μm. Unidirectional carbon fiber-polyamide 6 composites are produced using compression molding with an embedded fiber optic for strain measurement. The distributed fiber optic based strain sensor is placed in an arrangement to capture 0, 45, and 90° strains in the composite to resolve in-plane strain tensor. Strains are monitored in the direction of fiber optic sensor along its length at high resolution during the various stages of compression molding process. Results indicate considerable internal strains leading to residual stress at the end of processing step along the off-axis (45°) and transverse (90°) directions, and small strains in the carbon fiber pre-preg (0°) direction. At the end of compression molding process, an average of 7000 and 10,000 compressive micro-strains are obtained for residual state of strain in the off-axis and transverse direction. Since water/moisture infusion affects the mechanical properties of polyamide-6 matrix resin, these composite panels with embedded sensors targeted for marine applications are monitored in a water bath at 40 °C simulating accelerated testing conditions. Using the same fiber optic sensor based technique, the strain relaxation was observed during water uptake demonstrating in-situ strain monitoring during both manufacturing and subsequent composite implementation/application environment. The technique presented in this paper shows the potential of optimizing time-temperature-pressure protocols typically utilized in thermoplastic manufacturing, and continuous life-cycle monitoring of composite materials using a small diameter and inexpensive distributed fiber optic sensing.     

埋入式封装的光纤光栅传感器应变传递分析

推导了布拉格光纤光栅传感器所测应变与实际结构应变的关系,得出了平均应变传递率并与实际试验结果进行比较. 根据应变传递率确定了光纤的临界粘接长度，并推导了多层粘接时的应变传递情况，讨论了影响应变传递率的因素. 结果表明，光纤光栅的粘贴长度必须大于临界粘贴长度，且光纤光栅传感器所测应变需要加以修正才能得到实际结构应变.     

光纤传感器对机敏复合材料结构性能的影响

本文通过实验研究了光纤传感器对埋光纤机敏复合材料机械性能的影响，详细分析了埋光纤机敏复合材料层板在外载作用下的应力分布，针对三种不同铺层方式，研究了六种树脂填充区对机敏复合材料层板应力集中的影响，得出了减小应力集中的有效方案。     

光纤传感器在相似材料模型测试中的相容性研究

为了找出光纤传感器弯曲损耗与岩层变形破坏过程中变形的关系 ,在相似材料模型铺设过程中将光纤传感器埋入在层合材料之间。研究了相似材料模拟实验中 ,光纤与模型岩层的相互作用机理 ,光纤与模型岩层的相容性 ,以及提高二者相容性的方法 ;并设计了一种基于光时域反射技术的新型微弯光纤传感器 ,用于相似材料模型的应变、位移检测中。实验研究表明 ,这种传感器结构不仅能实现对岩体变形的监测 ,而且在该情况下传感器不会失效 ,具有较好的相容性。构建了岩体光纤检测的理论基础     

用于正交异性材料构件应变、应力测量的OPCM传感元件研究

介绍了由压电陶瓷和树脂材料构成的正交异性压电复合材料（Orthotropic Piezoelectric Composite Material,简称OPCM）应变传感元件的构造及传感原理，推导了粘贴式和埋入式OPCM传感元件测量正交异性材料构件中应力的传感方程。对受平面应力场的作用的正交异性板的表面应力，应变进行了实测研究，并对测试误差进行了分析。     

空心光纤网络埋入复合材料中性能影响的研究

空心光纤网络可用来进行复合材料力学性能的监测,同时又可对材料的损伤进行自修复。空心光纤网络与复合材料性能的影响主要有三方面：1）复合材料对空心光纤的影响;2）空心光纤对复合材料的影响;3）空心光纤与复合材料力学性能的匹配。本文测试了三种规格的空心光纤埋入复合材料中受到的影响,依据国家有关的复合材料测试标准,对树脂基复合材料埋与不埋大直径空心光纤进行了对比实验,并论证了光纤与材料力学性能匹配点存在的必然性。从而为空心光纤网络用于复合材料的自诊断与自修复提供了研究的依据。     

埋入混凝土的光纤传感器包层力学特性研究

本文用解析解探索光纤传感器埋入混凝土中其包层的特性及重要性。针对外荷载平行与光纤方向施加于混凝土构件时，其包层的材料特性和厚度变化而引起其内部应力分布特性作了一些研究。从解的分析可以看出，在埋入光纤的附近横截面应力集中很大程度上取决于包层的厚度及材料性质。对于给定的混凝土材料存在包层材料和厚度相结合的优化问题，选择某一优化目标，可能减小或消除其应力集中，而这对于光纤传感器在整个运行期间是至关重要。