一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

体内预应力钢绞线光纤光栅监测技术及其应用

设计了一种在预应力钢绞线中心丝上设置倾斜凹槽封装光纤光栅的自感知钢绞线,以解决体内预应力钢绞线其它传感器无安装空间,易碎断导致封装成活率低以及监测量程不够等技术难题.理论分析了不同凹槽倾角封装的光纤光栅传感器的监测应变与钢绞线应变,根据复合材料剪滞模型理论建立了二者之间的应变关系.以倾角为变化参数,研制了系列光纤光栅自感知钢绞线,并对其进行张拉试验,测定光纤光栅传感器量程的变化情况.试验结果表明:该方法能有效扩大光纤光栅传感器的监测量程,当倾斜角度为30°时,所能监测的应变范围与0°相比,提高了44%.采用该技术,利用光纤光栅传感器对某高速公路预应力箱梁的施工张拉及服役进行实时监测,传感器成活率为100%,同时将光纤光栅的理论及标定应变关系与现场张拉及二次张拉的数据进行对比,误差均在5%以内.该技术实现了对体内预应力钢绞线施工张拉和服役全生命周期的监测.     

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.     

基于分布式光纤拉曼测温系统的核电一回路泄漏点监测技术

为了能对核能发电站内反应堆冷却系统管道的泄漏情况进行实时监测及高精度定位,利用拉曼散射效应和光时域反射技术构建了分布式光纤测温系统,结合特定规则的传感光纤布设方式,实现管道外壁温度场的全覆盖式实时在线监测.通过实验验证,当泄露发生导致二维平面内某区域的温度异常达到预先设置的阈值时,监测系统会依据布线规则对该点进行位置解码并标记,从而实现二维平面的精确定位.实验得到的定位精度为0.5m,并显著降低了误报可能性,可极大的提高管道外表面温度异常点的定位精度.     

一种光纤布喇格光栅压力传感器的设计及实验

报道了一种新型光纤光栅压力传感器设计和实验结果.传感器利用双拱形结构,配合工形膜片将纵向分布的压力转化为膜片横向的应变,通过膜片结构传递应变给光纤光栅,从而达到测量纵向分布压力的目的.实验结果表明:当传感器受到纵向均布压力作用时,能够较好地感知压力的变化,光纤光栅中心波长的漂移与所受压力呈线性变化,且线性度达到0.999.在压力测量范围内,压力灵敏度达到1.059 × 10~(-3)/MPa.     

光纤光栅应变传感器光-力转换的理论方程

光纤光栅(FBG)应变传感器的光-力转换方程,为其标准化设计、参数标定及精度分析的理论依据.基于Ansari光纤传感器的应变传递分析模型及弹性力学的基本理论,建立了统一的埋入式光纤光栅应变传感器光-力转换的基本理论方程.方程的建立反映了传感器复合体内部及其与观测环境之间的力学耦合机制,考虑了应变传递分析模型的各边界条件、变形协调条件,以及传感器的所有几何尺寸.对传感器实例的实验研究表明,这一理论方程基本可靠,可成为光纤光栅应变传感器优化设计和性能分析的实用化理论工具.     

基于光谱特征分析的光纤光栅腐蚀传感器研究

针对航空航天领域铝合金结构服役过程腐蚀监测需求,提出了一种基于铝质细管结构的预载荷型光纤光栅腐蚀传感器。给出了铝合金结构腐蚀在役监测机理,得到光纤光栅反射光谱特征与铝质细管厚度变化之间的理论关系模型,构建了酸碱环境下的光纤光栅腐蚀监测试验系统。通过在细管内部配置不受力且仅感受温度变化的光纤光栅传感器,解决了被测目标的温度与应力交叉敏感问题。研究表明,这种铝质细管封装设计不仅可以感受腐蚀对其力学性能的影响,还能够屏蔽外界腐蚀因素对管内光纤感知器件的干扰。随着金属管腐蚀程度加深,其管壁逐渐变薄,光纤光栅反射光谱逐渐向短波长方向偏移,且管壁厚度变化与光栅中心波长偏移量之间呈较好单调关系。这些特性能够为进一步开展基于光纤感知器件的机械结构在役腐蚀监测研究提供有益帮助。     

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.     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件,设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内,其测量线性度达到99.91%,灵敏度达到22 N,且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比,轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力,并且由于光纤光栅本身的波分复用特性,可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点,在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.     

光纤光栅腐蚀传感器

提出了一种测量钢筋腐蚀的新型传感器.这种传感器将光纤光栅拉伸后固定在圆形钢筋的表面,在钢筋被腐蚀后,光纤光栅所受到的拉伸应变将被释放,光纤光栅的反射光波长发生变化,通过测量光纤光栅的波长就可以测得钢筋腐蚀程度.这种传感器测量准确度优于±0.1 μm,测量范围约12 μm,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测.     

4.5 GPa静水压活塞圆筒式高压装置的压力检测分析及压力校正

 本文提供了提高现有活塞圆筒式高压装置流体静压强的一种实验方法。成功地制作了锰铜丝压力计，并利用铋丝相变准确地做了压力校正。各箍的应力检测分析和相对位移测量都表明：无论压腔空载或充液时，在0.000 1~3.08 GPa均不显示出同步箍紧作用；上下缸的压强差偏大带来高压暴露的危险。为把流体静压强提高到3.08 GPa以上，建议改进设计；（1）内箍中箍合二为一，外箍分为上下二层，将增加箍力；（2）调整各箍之间接触圆锥面的面积，将有助于同步箍紧；（3）增大密封套圈的无支承面，将减少上下缸压差，有利于安全运行。     

基于光纤光栅光谱分析的混凝土结构钢筋锈蚀监测

混凝土中钢筋发生锈蚀会严重影响混凝土结构的使用功能,文章提出了通过观察长周期光纤光栅(LPFG)的透射谱变化对混凝土结构中的钢筋锈蚀进行监测。这种方法基于长周期光纤光栅的微弯特性,利用其透射光谱随弯曲度增加逐渐变浅、谐振波长处的光功率与LPFG的弯曲度成线性这一特性,将钢筋锈蚀引起的钢筋径向膨胀转化为光栅的弯曲,通过监测光栅的光谱变化获知光栅的弯曲度进而判断钢筋的锈蚀程度,该方法对钢筋直接进行监测,简单易行,并利用光栅的光谱特性从而避免了环境温度、应变、折射率的影响,实验将光栅埋入到混凝土构件中,从已取得的实验结果来看,这种方法测量钢筋锈蚀厚度的准确度可达1.2 μm,可监测到的锈蚀厚度达3 mm,完全能够实现混凝土结构中钢筋锈蚀的早期至中期监测。     

The Formation and Evolution of the Hierarchical Structure of Polyethylene Pipe During Extrusion Processing

The formation and evolution of the hierarchical structure of polyethylene (PE) pipe during extrusion processing were investigated and its structure-performance correlation is discussed. The experimental results showed that during the PE pipe processing the axial stress by the traction machine oriented the molecular chains along the axial direction, and gave rise to some shish-kebab structures in the external layer which were parallel to the axis, so that the PE pipe easily cracked along the axial direction. Moreover, the temperature gradient generated by different cooling rates across the pipe wall caused the kebab crystals and the spherulites nucleated further from the outer wall to only grow toward the inner wall. As a result, the lamellae were oriented along the radial direction of the PE pipe. On the other hand, owing to the slow cooling of the inner wall, its tie molecules were of lowest density and hence its resistance to slow crack growth was poor. Therefore, the inner layer, which also suffered the highest hoop stress, would become the weak point in PE pipe applications; that is, the cracks extended from the inner wall of the pipe, through the wall, and then in a longitudinal direction.     

双套管式光纤Bragg光栅温度传感器

研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器,以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变,在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓,以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态,封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4mm,1.8mm和0.4mm。试验结果表明,该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3nm/℃,温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2s和t0.9=52±4s。当水温从70℃跃变到20℃时,该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9s和t0.9=63±8s。     

用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅

介绍了一种用布拉格光纤光栅制作啁啾光纤光栅的方法。采用氢氟酸腐蚀布拉格光纤光栅, 使光栅的横截面沿光栅轴向逐渐变小, 然后对光栅施加１．５０ Ｎ的拉力, 在光栅轴向建立应变梯度, 制作出长１５ ｍ ｍ 、峰值反射率达９２％ 、反射半高宽为５ ｎｍ 的啁啾光纤光栅。     

基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法

本文提出并论证了一种光纤光栅高速解调的新方法, 利用色散补偿光纤的色散效应, 将光纤光栅的波长漂移信息转换成时域信息. 采用脉冲激光器作为光源, 仅需一个光脉冲可获取单根光纤上所有光纤光栅的反射光脉冲, 再根据各个光栅反射回光脉冲的延时变化即可实现波长的解调. 本方法可用于准分布光纤光栅传感网络解调, 系统采用全光纤结构, 无需波长扫描, 大大提高了解调速度. 本文搭建了测试系统进行实验验证, 对3个光纤光栅组成的准分布式传感网络进行了解调, 实验结果表明, 解调出的光纤光栅布喇格波长线性度好, 解调速度最高可达1 MHz, 采样数据取10次平均后解调线性度可达0.9969, 解调误差约为27.8 pm.     

光纤光栅对线圈绕组内部温度测量研究

将刻有温敏光栅的光纤缠入线圈绕组内,实现对线圈绕组内部温度的直接测量。采用特殊的封装和安装技术,消除了因线圈绕组铜质漆包线的热胀冷缩所造成的温度与应变交叉敏感。实验结果表明安装在线圈绕组内部的光纤光栅与自由状态的光纤光栅具有相同的温度特性,并且显示出良好的重复性和稳定性,完全可以用于大型电力设备中线圈绕组的内部温度直接测量。