光纤光栅传感器在大体积混凝土基础温度监测中的应用

光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输频带较宽、易于进行分布式测量等诸多其他传感器所不具备的优点,更适用于现场的长期健康监测。大体积混凝土在施工过程中的温度问题如处理不当将会引起混凝土开裂。利用温度计、热电耦等作为传感器的传统的检测手段已经大大的制约了数据的准确性与精度。寻求一种高精度温度检测手段已经成为用于现场结构监测的前提。本文结合具体的工程实例介绍了光纤光栅传感器在基础混凝土温度监测中的应用,介绍了监测系统的组成,传感器的构造和标定,并利用实测温度预测基础混凝土底板中温度应力,及时采取措施防止混凝土的开裂。     

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。     

光纤光栅传感器对钢筋混凝土内部应变的测量及温度效应的研究

本文应用光纤光栅传感器实现了对钢筋混凝土试件内部应变的测量．试验不仅就应用光纤光栅进行混凝土结构内部应变测量的技术、工艺进行研究，还通过设计温度控制试验，考察了光纤光栅传感器的温度补偿问题，以及横向应变对测量结果的影响．     

基于Bragg光纤光栅的位移-应变传感器分析

光纤光栅传感器技术应用于力学测试是国内外正在发展的一门新技术.本文基于光纤光栅传感的基本原理,介绍了一种用于位移测量的应变传感器,测得应变与位移变化具有良好的线性特点,重复性好;对该传感器的测量过程进行了有限元模拟,并与实验值进行了比较.     

反射式动栅光纤位移传感器的研究

本文介绍一种新型反射式动栅光纤位移传感器的结构和原理，结合补偿电路消除系统信号漂移，对光电池进行温度补偿。从理论上推导出输出信号与位移的关系，并应用该系统对位移进行了测量。     

基于光纤光栅传感器的玻璃纤维复合材料层间应变测试的实验分析

通过对内埋未封装光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)的玻璃纤维增强复合材料进行力学实验分析,得到不同试件层间的应变曲线与试件断面的微观截面图.探讨了玻璃纤维复合材料固化过程中温度和压力对FBG传感器的传感性能的影响,深入分析了FBG传感器与玻璃纤维复合材料的融合度以及弯曲实验中FBG传感器检测精度.在试件三点弯曲实验中,与传统电测方法不同,应用新型未封装FBG传感器进行复合材料的层间应变测量,得到的层间应变与载荷数据,拟合直线的线性相关系数均在0.99以上,并且传感器在监测不同试件同一层的层间应变的相对误差不超过5％.为应用FBG传感器检测实际的复合材料构件内部应变以及形成FBG传感网络损伤监测系统提供了实验基础.     

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.     

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。     

粉尘质量浓度的光纤光栅传感测量技术

粉尘质量浓度是粉尘爆炸的关键因素,针对目前对本质安全、可实时监测预警的粉尘质量浓度测量技术的迫切需求,提出一种基于光纤光栅和光纤准直器的新型测量技术,在阐述其测量理论的基础上,搭建测量和实验装置实物。对200、300和400目这3种粒径规格的小麦粉尘分别开展实验测量,结果表明：所提出的测量技术的光功率输出和粉尘质量浓度呈线性关系;并与标准的称重法得到的粉尘质量浓度开展对比,验证了光纤光栅测量技术的有效性。

     

基于光纤光栅的直升机桨叶应变试飞研究

研制了基于光纤布拉格光栅(FBG)传感原理的光纤光栅应变机载测试系统,并应用于直升机旋翼桨叶的外场试飞测试,使直升机桨叶应变试飞实现了光学传感。首先基于等强度梁开展电学应变计与FBG应变计的对比测试,验证了两者测量应变的一致性;其次搭建桨叶运动姿态物理仿真平台,并开展基于模拟桨叶的FBG挥舞弯曲应变测试,初步验证了FBG应用于桨叶应变测试的可行性;最后在直升机飞行试验中,使用FBG网络动态测量桨叶多剖面的分布式挥舞弯曲应变,并分析和对比电学应变计与FBG传感器阵列的实测数据,验证了分布式FBG网络应用于直升机桨叶试飞的技术可行性。     

基于光纤智能夹层传感结构的应力测量研究

制作了一种模块化的光纤传感夹层,对夹层内的光纤传感器的应力特性进行了实验研究。分析了应变对传感系数的影响,对埋入到光纤智能夹层中的两种光纤传感器的输出特性进行了比较。实验结果表明:光纤Bragg光栅传感器的波长漂移与应变之间具有理想的线性关系,但应变灵敏度由1.2pm/με降至1.15pm/με;由于制作工艺的局限,对于非本征F-P光纤传感器,当应变达到350με后,应变与载荷具有较好的线性响应。与非本征F-P光纤传感器相比,光纤Bragg光栅传感器是光纤智能夹层首选的应变传感器。将埋入了Bragg光栅传感器的智能夹层粘贴于某型飞机的翼-身连接构件内部进行监测,实验结果为光纤智能夹层应用于复合材料结构的应变监测提供了参考。     

基于准分布式FBG传感器的均质材料内部应变测试的试验研究

采用环氧树脂材料作为试验载体,使用没有任何保护性封装的、运用波分复用技术在同一光纤上刻入三个布拉格光栅的基础FBG传感器,来监测液体树脂流动及固化成型的全过程,并使用固化成型的环氧树脂板进行三点弯曲试验。将所得数据与有限元模拟数值解进行比较,来验证在去除封装、将传感器自身应变影响降到最低的情况下,FBG传感网络是否依然能够有效地反映出试验对象在各种情况下的内部应变。本文给出了FBG光纤光栅在逐级静力荷载加载下材料内部三点弯曲的应变图,并通过数值计算分析了未封装光纤在复合材料内部受力过程中的力学性能。     

光纤光栅传感网络应用于玻璃纤维复合材料构件损伤检测的试验研究

将光纤光栅传感网络埋入玻璃纤维复合材料试件后,通过无损试件与有损试件的准静态弯曲对比试验研究,分析了测量过程中反映损伤位置以及损伤程度的光纤光栅参数。然后使用ANSYS有限元软件对其进行数值模拟计算,并将数值模拟的结果与试验测得的结果相对比,验证了应用光纤光栅传感网络利用准静态加载方法测量损伤的可行性以及准确性。本文研究结果可为利用FBG光纤传感网络对实际工程中复合材料结构的在线健康监测提供实验基础。     

集成光学角速度传感器及其关键器件的研制

本文介绍了清华大学研制的集成光学角速度传感器 ( IORS)系统方案及其关键器件 ,包括 :( 1 )窄线宽单模光纤 Bragg光栅外腔式二极管激光器 ( FBG- LD) ;( 2 )声体波的声光移频器 ( AOFS)及其直接数字合成 ( DDS)的控制电路 ;( 3)谐振型 IORS( R- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的光波导 Sagnac敏感环 ( SSR) ;( 4 )干涉型 IORS( I- IORS)的实验装置 ,采用光纤仿真的再入式 SSR。采用上述 AOFS研制了一种全光纤延迟的自外差测量系统 ,用于测量上述 FBG- L D。初步的实验结果表明 ,所提出的上述 R- IORS和 I- IORS都可开发为新型光学陀螺的产品     

A technique for embedding efpi fiber optic strain sensors in concrete

Experimental Techniques -     

A fiber optic sensor for transverse strain measurement

A fiber optic sensor capable of measuring two independent components of transverse strain is described. The sensor consists of a single Bragg grating written into high-birefringent, polarization-maintaining optical fiber. When light from a broadband source is used to illuminate the sensor, the spectra of light reflected from the Bragg grating contain two peaks corresponding to the two orthogonal polarization modes of the fiber. Two independent components of transverse strain in the core of the fiber can be computed from the changes in wavelength of the two peaks if axial strain and temperature changes in the fiber are zero or known. Experiments were performed to determine the response of the sensor by loading an uncoated sensor in diametral compression over a range of fiber orientations relative to the loading. The results of these experiments were used with a finite element model to determine a calibration matrix relating the transverse strain in the sensor to the wavelength shifts of the Bragg peaks. The performance of the sensor was then verified by measuring the transverse strains produced by loading the fiber in a V-groove fixture.     

基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究

基于机电阻抗技术,采用一种新型压电陶瓷纤维复合材料MFC(Macro-fiber composite),对管道连接处法兰的螺栓工况进行监测实验研究。首先,研究了螺栓扭矩大小对管道法兰结构的阻抗的影响程度。在对螺栓开始施加扭矩时阻抗值变化明显,当扭矩增大到一定程度后,阻抗变化减缓。同时进一步研究了松动螺栓数量与管道法兰结构的阻抗变化之间的关系。结果显示,结构的损伤值随松动螺栓个数的增加呈线性增长。采用均方根偏差统计算法,对在不同工况条件下管道法兰结构处测得的阻抗值进行了有效的分析和处理。结果表明,采用MFC作为压电敏感元件的机电阻抗法,用于管道法兰结构健康监测具有较好的稳定性和应用潜力。     

基于光学读出的微悬臂梁温度传感器研制

为实现对环境温度的高分辨率、快速、准确测量,设计制作了一种基于光学读出的微悬臂梁温度传感器.由于组成微悬臂梁的两种材料——金和氮化硅热膨胀系数的差异,在温度变化时,梁内部会产生热应力导致其弯曲变形.不同温度下梁的弯曲变形量不同,利用光杠杆方法检测出此变形,经标定后就能实现环境温度的准确测量.实验中设定系统光臂长度为25mm,采用商业化三角形微悬臂梁(长200μm、宽40μm、氮化硅层厚0,6μm,金层厚60nm)对传感器进行了测试,实验结果显示其测量重复性好,温度分辨率达到0.02℃.对于特定尺寸的微悬臂梁,通过优化其双材料厚度比,温度分辨率可达10-4℃,可用于环境温度的精密测量.     

Integrated Measurement Technique for Curing Process-Dependent Mechanical Properties of Polymeric Materials Using Fiber Bragg Grating

We propose an integrated technique to measure critical mechanical properties of polymeric materials. The method is based on a fiber Bragg grating (FBG) sensor. A polymer of interest is cured around a glass FBG and the Bragg wavelength (BW) shift is measured and documented while polymerization progresses at the curing temperature. After complete polymerization, the BW shift is monitored continuously as the temperature of the cured polymer changes. The desired material properties are then found inversely from the relationship between the Bragg wavelength shift and the deformation of the polymer caused by the changes in the material properties.